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Simulação de um Colector Solar Incorporado numa

1. 37 Figura 17 Curvas de efici ncia instant nea para ensaios em regime quase din mico e em regime permanente no dia 28 de Junho de 2011 cee ee sess 41 Figura 18 Colector CSP 140V testado na Bancada do LabSolar 43 Figura 19 Efici ncias experimentais dos colectores de placa plana Azul Vermelho colector de efici ncia m dia Verde Roxo colector integrado na telha 44 Figura 20 Compara o das efici ncias normalizadas para os colectores CSP 140V e PrOLTOLBO sy cae ce et e da essai ees e Ra nc pua dd de 45 Figura 21 Sistema SDHW incluido nos exemplos de sistemas t rmicos Fonte TRNSYS exemplo SDEDW usasse loss pesada ecra am el P adve dard c dde a roca e vna Unde a dE 47 Figura 22 Perfil de Consumo de gua quente dom stica ssssssssssssss 48 Figura 23 An lise de investimento calculando o tempo de retorno pelo m todo do VLA LP I E 52 Figura 24 Gr fico do LCS Solar dependente da rea de abertura 53 Lu s Pedro Vitorino Gomes iv Simula o de um Colector Solar Incorporado numa Telha NDICE DE TABELAS pur suas se 18 Tabela 2 Valores dos Par metros do ensaio e desvio permitidos pelos m todos SST e ODT seopndo 4 notma ABNT CBN cs CS ad 19 Tabela 3 C lculo te rico da transmit ncia num vidro branco er 30 Tabela 4 Coeficientes c
2. Collector Power W m float32 Cp Cp 3 884E 11 Ti Ti Ti Ti Ti 1 309E 8 Ti Ti Ti Ti 1 675E 6 Ti Ti Ti 1 089E 4 Ti Ti 3 358E 3 Ti Figura 9 Bloco de c lculo da pot ncia medida do colector com a depend ncia do calor espec fico pela temperatura Fonte Guilherme Gon alves Teste Bancada Coletores 2008 Labview version 8 5 Lu s Pedro Vitorino Gomes 27 Simula o de um Colector Solar Incorporado numa Telha 4 3 C lculos Te ricos Conforme proposto no plano de trabalho os c lculos te ricos das perdas t rmicas do colector e a transmit ncia do vidro foram efectuados e s o agora apresentados Anteriormente foi explicado como efectuado o c lculo das perdas de calor pelo topo utilizando o software EES Engineering Equation Solver obt m se a seguinte resposta na figura 10 para uma temperatura m dia do fluido de 32 C Unit Settings SI K kPa J mass deg alfa 0 00002244 b 0 003882 Cp 1005 Di 0 015 m g 9 807 m s gama 0 0001 m hw 210 W m K k 0 02606 miu 0 00001883 niu 0 0000163 q 131 Rad 5207 Ta 288 K Tc 296 7 K 8215 deg Tm 305 5 B 45 deg Ch 2586 ec 0 66 ep 0 06 hc 2 468 hfi 300 W mK kb 66 6 W m K L 0 015 m Nu 1 421 patm 101 3 kPa p 1 155 o 5 670E 08 W m K4 Tcover 23 59 Tf 2305 K Tp 3143 K Ut 4 977 Figura 10 P gina de resultados das perdas t rmicas ca
3. lt 20 Fra o Difusa Ga G lt 0 3 Temp Ambiente T K ENS EILS Veloc Do Vento u m s 3 1 3 1 Temp De entrada Tin K 0 1 1 Caudal M ssico do Fluido 0 02 1 0 02 1 kg m s Tou Tin K a gt 2 dTm dt K s 0 005 Intervalo de medi o dt s 6 0 1 6 0 1 Uma temperatura de entrada deve ser seleccionada de forma que a temperatura m dia do fluido seja 3K da temperatura do ar ambiente pr ximo do meio dia solar para obter uma determina o precisa de no ABNT CB 55 2009 A diferen a entre as temperaturas m dia e ambiente tem de ser positiva AT gt 0 a fim de evitar erros gerados pela mudan a na direc o do fluxo de calor entre o sistema e a vizinhan a Lu s Pedro Vitorino Gomes 19 Simula o de um Colector Solar Incorporado numa Telha 3 3 Per odo de Teste Os dados obtidos a partir dos ensaios realizados devem conter a informa o necess ria para a identifica o dos coeficientes do colector definidos no modelo anterior A valida o dos dados para ambos os m todos basicamente a mesma apenas variando a pot ncia de radia o o ngulo de incid ncia e a frac o difusa assim como a toler ncia para as medi es da temperatura do fluido entrada do colector Por isto o tempo necess rio para que se possam obter dados para os dois m todos de ensaios diferente Sendo precisos de quatro a cinco dias no ensaio QDT pois necess rio testar o colector para
4. Tests are according to the Brazilian norm ABNT CB 55 as based on the European EN 12975 controlling some of the parameters such as the inlet and outlet fluid temperature This norm specifies two kinds of test one in steady state named SST and the other in quasi dynamic state named QDT Both of them are valid to define the efficiency of any collector although the QDT is more used because it s easier to accomplish and represents in a closer way the conditions in which the collector will operate The sequence of tests with the prototype is compared with the tests of another collector having normal efficiency The software TRNSYS is used to simulate the solar system in a transient mode in order to determine the energetic advantage from the use of the solar energy In the economic analyses of the prototype it s calculated the time for the return of the value of investment For different areas of solar collector the economic gain is calculated The method used in this economic analysis is the LCS or Life Cycle Savings Keywords Solar Collector Solar Energy SST QDT EN12975 LCS Lu s Pedro Vitorino Gomes iii Simula o de um Colector Solar Incorporado numa Telha NDICE DE FIGURAS Figura 1 Colector Solar de Placa Plana Fonte Physics World ee 5 Figura 2 Perfil do colector solar prot tipo sujeito a teste 2 4 6 Figura 3 Varia o do comprimento da placa absorvedora com o ngulo a 1
5. e Caudal de Teste 75 kg h m e Taxa de perdas t rmicas 0 972 W K e Temperatura ambiente 20 C e Temperatura do Set Point 60 C e Agua quente 45 C e gua fria 15 C O sistema foi simulado para Florian polis e obtiveram se os seguintes valores Tabela 10 Comportamento energ tico do sistema para v rias reas de colector solar rea de Abertura m ODHW Q Auxiliar Fracc o Solar 2 5 19E 06 3 86E 06 0 256 3 5 18E 06 3 35E 06 0 354 4 5 18E 06 2 79E 06 0 461 6 5 18E 06 2 14E 06 0 587 8 5 19E 06 1 83E 06 0 648 10 5 19E 06 1 65E 06 0 681 Na tabela 10 verifica se o crescimento da frac o solar com o valor da rea de abertura do colector Ao mesmo tempo que a necessidade de aquecimento auxiliar baixa constituindo uma economiza o de electricidade no sistema O aquecimento de gua dom stica mant m se praticamente invari vel pois o perfil de consumo uma imposi o da simula o Usualmente o aumento da rea de colector cria custos adicionais nos sistemas de aquecimento de gua dom stica No sistema em estudo o pre o do colector relativamente baixo Se a rea aumentar at um valor de 6 m a energia solar ir suprir mais de metade das necessidades de aquecimento de gua portanto necess rio saber o custo real do colector para poder efectuar uma boa an lise de custos Como as placas Lu s Pedro Vitorino Gomes 49 Simula o de um Colector Solar Incorporado numa Telha que absorvem
6. o e valida o de um coletor solar de placa plana para edifica es de baixo custo Lu s Pedro Gomes Estagi rio visitante da Universidade de Coimbra Orientador Prof Sergio Colle O trabalho de est gio consiste em realizar uma mem ria de c lculo e teste de bancada de um coletor solar plano de tubo e placa de cobre cuja cobertura integrada a uma telha de cobertura de casa popular constru da em chapa galvanizada e tratada e termicamente isolada com espuma de poliuretano O trabalho organizado segundo as seguintes metas 1 Revis o da literatura t cnica pertinente respectiva ao projeto de coletores solares t rmicos e teste de coletores em bancada de teste quase din mico 2 Montagem do coletor prot tipo e instrumenta o em bancada de teste quase din mico do laborat rio 3 C lculo da transmit ncia e das perdas t rmicas de topo e de bordo supondo se absort ncia da placa absorvedora j conhecida e modela o Testes quase din micos segundo norma europ ia corrente An lise dos resultados e compara o da efici ncia medida com a efici ncia te rica resultante de modela o 6 Inser o das equa es do coletor no software TRNSYS j consolidado pelo mestrando Luigi Ant nio de Ara jo Passos 7 An lise dos resultados da simula o e c lculo do tempo de retorno do investimento pelo m todo LCS 8 Relat rio t cnico final Florian polis 27 de abril de 2011 Prof Sergio Colle
7. que um projecto em vias de ganhar mais efici ncia energ tica uma vez que est bem enquadrado no problema que pretende resolver apenas falta fazer um bom projecto do colector sendo verificado por um outro prot tipo de fabrica o controlada e de qualidade A introdu o do teste de um outro colector solar para termo de compara o surgiu na fase inicial dos testes em que como este estava na bancada de ensaios pronto a ser ensaiado serviu de base de estudo para a familiariza o com a bancada Ao mesmo tempo eram registados valores para comparar com o colector prot tipo que ainda n o tinha sido entregue no LabSolar Lu s Pedro Vitorino Gomes 55 Simula o de um Colector Solar Incorporado numa Telha 7 REFER NCIAS BIBLIOGR FICAS ABNT CB 55 Projecto 55 003 01 003 2 Sistemas solares t rmicos e seus componentes Coletores solares Parte 2 M todos de Ensaio Mar o 2009 ASHARE 93 86 Methods of Testing to Determine the Thermal Performance of Solar collectors American Society of Heating Refrigeration and Air Conditioning Engineers Inc Atlanta U S A 1978 COLLE S PEREIRA E B Atlas de Irradia o Solar do Brasil Instituto Nacional de Meteorologia INMET 1998 COLLE S STARKE A PASSOS L VEIGA C Uma Analise de Sistemas de Aquecimento Solar de Agua para uso Dom stico no Brasil LEPTEN Laborat rios de Engenharia de Processos de Convers o e Tecnologia de Energia LABSOLAR Depar
8. o sendo aplic veis para prever o comportamento mais desfavor vel dos sistemas mas sim para prever m dias de radia o anuais que se enquadram nas m dias de longo termo do local em estudo O objectivo a simula o de sistemas de convers o de energia solar e os valores foram extra dos da base de dados SWERA Solar and Wind Energy Resource Assessment pelo engenheiro investigador do LABSOLAR Luigi Passos Lu s Pedro Vitorino Gomes 13 Simula o de um Colector Solar Incorporado numa Telha 3 1 Ensaio em regime permanente O regime de teste mais dispendioso e mais restrito em termos de possibilidade de valida o de valores de ensaio o de regime permanente Este pode ser efectuado com radia o solar simulada em bancada de ensaios interior ou com radia o Solar numa bancada no exterior A bancada de ensaios do LABSOLAR exterior e como tal apenas permite a realiza o de ensaios no exterior Se normalmente os limites da radia o Solar variam entre 0 e 1100 W m este ensaio utiliza menos de metade da faixa de radia o poss vel validando apenas valores de radia o superiores a 700 W m Para ensaios no exterior o tempo durante o qual se podem registar dados reduzido pois necess ria uma altura solar elevada ou seja a hora dever ser pr xima do meio dia para a irradia o m xima contando com desvios m nimos entre a radia o solar directa e a normal superf cie do colector A express o
9. 0 42 Ceff 6437 1598 A efici ncia do colector sem perdas no baixa e o projecto do colector devia ser revisto O factor de perdas t rmicas linear k muito elevado e demonstra que o isolamento n o foi aplicado da forma correcta A incerteza expandida U k tamb m tem um valor elevado pois est relacionado com o elevado valor do coeficiente que lhe corresponde A incerteza n o fi vel e o melhor seria efectuar novos testes de forma a reduzir as incertezas dos ensaios O factor de correc o angular para a radia o difusa tamb m tem um valor elevado comparando com outros ensaios em que o valor deste coeficiente varia em torno da unidade O aumento deste valor pode ser uma consequ ncia da acumula o de sujidade no vidro Fazendo com que a influ ncia da radia o difusa seja menor no balan o da radia o absorvida pelo colector A estrutura do colector solar tem bastante influ ncia na sua efici ncia ptica Como o colector integrado numa telha e esta tem pontos de contacto com o vidro isso provoca um aquecimento do mesmo originando maiores reflex es da luz devido ao comportamento do vidro A opacidade do vidro aumenta com a temperatura do mesmo que aquecido devido crescente reflectividade do a o galvalume liga de zinco com alum nio reflex o essa que aumenta para valores de comprimento de onda de radia o superiores a 3 um Lu s Pedro Vitorino Gomes Simula o de um Colector Solar Incorporad
10. G4 Dessa forma a radia o directa Gy calculada indirectamente atrav s da express o G Gp t Gg Piran metro medidor da radia o global Piran metro com anel sombreador para a medi o da radia o difusa A temperatura do fluido medida por termo resist ncias de platina do tipo Pt100 sendo colocadas na tubula o entrada e sa da do colector depois dos dispositivos de mistura Os transdutores n o devem ser afectados pela presen a de ar Lu s Pedro Vitorino Gomes 73 sendo instalados no sistema com o elemento sensor apontado na direc o contr ria ao fluxo de gua na tubula o A temperatura ambiente medida por um transdutor que ter de ser protegido com uma cobertura de cor branca e de prefer ncia ventilada for adamente para reduzir o aquecimento pela radia o solar O Sistema da bancada tem integrado um Chiller York funcionando como trocador de calor para manter a temperatura de entrada de fluido no colector constante e dois aquecedores de passagem el ctricos que controlam o valor da temperatura da gua a dar entrada no colector Chiller York Anem metro de Copo O vento simulado pela opera o de um ventilador radial apontando para a superf cie do colector que possui um anem metro de copo instalado no topo registando a Lu s Pedro Vitorino Gomes 74 velocidade do vento Os dados registados s o assim mais precisos devido localiza o
11. Orientador ANEXO 2 Lu s Pedro Vitorino Gomes 61 m m soyosif pm E G F 9 2 05c ENDE SSI SU FO LODO 8C F86 co l HN2 JTWC JayssyBueyosy KT Woy JSt DSL AMAA yes GEGEBZL 0080 SEGE 41 0080 WS DODZ LGzE Gr aL cOG CS3EB8 OL pod Aq ul Jauas DB80L OSEEU XES Iiseig SG enbsnig Jg 8 uc Eog KO da Eis aa Er P NOS 3 INI Y H3H2Sl4J SOVINHI E TE ipe r zlu 89 z ouequeg UU 80 9L euurzo eles Au OL z ouoyuuor zU 85 8 ougyuuo z LP BE E10 Bay SIBINUBIOJIP snas LUOD SPUBSICUNS e sejep uin epeo ula Jou eui ap eu anb o sunau enb JopeAoui BLUB SIS LUN SeA DAuasep JSUISIA SOBULI v SBIPBIOLU ep soAmnnisuoo SBLUS SIS sejualeJip LUBISIXA opeaJeul ON TE 4 MT os F ICT SONS jauled Epes uie sopynquis oe ap soqni sop onuep ejuessed Ode ap oqea ojad opeuorer 9 1 SO NPOW ep siguied sop sapepiusnxa seu sopezije30 opseueWwe ep soAnisodsip Sojad openge 9 sepaied sep OB BUBLUE ep eulajsis 9153 GODOUGUIV BOA ROTT 1 UBS TEH S Od E rA Tug and HE rura r p ds Wide E fund _ E LT ET f Sp agi CEEE T an JEER sopojel sep OB RIJELIB e opuezi pal 058 ep oged win ep uieDessed ewed jsued op Jousdns syed BU ouloo JOUSIUI aped eu que ode ap ognj uin ep Webessed e ejsixe jauled epeo wa ossip way Ou2eul eqno e eaulgJ BJo B epepiulal jxe eun eJay j aured epea enb BU
12. a energia solar fazem parte do telhado alguns gastos podem deixar de existir como a caixa met lica e os custos de instala o dos colectores A simula o do sistema para diferentes volumes do reservat rio de gua despertou o interesse com o objectivo de saber qual o volume ideal Com uma rea fixa de 2 m de colector a tabela seguinte Tabela 11 Valores do volume do reservat rio simulados no per odo de um ano Volume do QDHW O Auxiliar Frac o Solar Reservat rio I 100 5 19E 06 3 93E 06 0 243 150 5 19E 06 3 90E 06 0 247 200 5 19E 06 3 93E 06 0 242 300 5 19E 06 3 86E 06 0 256 400 5 19E 06 3 891E 06 0 250 O volume do reservat rio tem pequenas flutua es da Frac o Solar mas n o suficiente para dizer que um factor importante como a rea do colector Outros elementos poderiam ter sido testados no exemplo SDHW mas o objectivo era confirmar a depend ncia da rea com a frac o solar Com o valor da frac o solar poss vel fazer uma an lise econ mica de retorno de investimento do sistema do colector solar 5 5 An lise Econ mica do Colector Solar O estudo econ mico do investimento em sistemas solares est no seguimento do c lculo da efici ncia dos colectores solares que foi feito em cap tulos anteriores O m todo utilizado para analisar o investimento foi o m todo LCS Life Cycle Savings conforme apresentado no cap tulo 11 de Duffie amp Beckmann 2006 Analisa os custos do c
13. alheta tanh m W D sen a 2 14 m W D sen a 2 Com o termo m sendo o resultado de m UL kp ep O ganho energ tico do tubo expresso como segue q tube DIS U T Ta 15 Resultando q u W D sen a F D S U Ts To 16 Lu s Pedro Vitorino Gomes 11 Simula o de um Colector Solar Incorporado numa Telha Na ltima etapa o ganho energ tico deve ser transferido para o fluido onde s o contabilizadas as resist ncias do fluido para o tubo e do tubo para a soldadura conforme descrito pelas express es 35 e 36 Substituindo a temperatura da placa absorvedora e impondo os limites de temperatura do ambiente e do fluido o ganho energ tico q u W F S U T Ta 17 Onde zs 18 F U 1 1 1 U D sen a W D sen a F 30s n Dhr O factor empregue para determinar a efici ncia da remo o de calor do colector o seguinte mCy Tro Ti 19 AS UL Tj To R Esse factor relaciona o ganho til actual de energia com o ganho til de energia se toda superf cie do colector estivesse temperatura de entrada do fluido que o m ximo poss vel de ganho energ tico pois as perdas t rmicas para a vizinhan a seriam m nimas O ganho til de energia define se como segue Qu AcFrIS UT Tod 20 Lu s Pedro Vitorino Gomes 12 Simula o de um Colector Solar Incorporado numa Telha 3 ENSAIOS DE COLE
14. eauiajouoeuli ody op axie uo ap pred ep BLUBSIS LUN uiejueasaide siguied SC slauled agua oe5eDr3 Jogos ug unssadsy LUGP eI LUNS O CLUBS ope wg JEQquUES eqy wo Bunssedsy GR g EI Wg Joeu ODE up Jouasur OE Ly OINPOIN l OINPOW soau 90 0 X Sp z X 0 3 pued sogeu 90 0 X Sc X 9 0 a pued soqew 90 0 X Gre X 8 0 2 pued soe 90 0 X Spz X OL g pued soe 90 0 X GFZ X 1 v pueg os OINPOIA Slauied ap soaiseq sody say UISISIXI Oag nigsuoo ep jeinijngasa jaded opueyusdweasap awnejyeb oe pd OUEJBIMJO A auin eA eD oe sauainpues siaud so ad SEPELLUO oes SPSED SEP sewaka 3 sewau sapaled sy SI9uled ap SOdIL soyosife SBUJOL senp WOOD Hauo ep OUILIN E ule sejeuer sejouer seSIDBIgOp empeuyos sOJUSWWa a SIBLSPp OJUSLUBGBIE ap siyad uoa oAnngsuoa gulajsis ouisaul op epininsuoa a eles no lauied oudoid ou sepeueqen oes sejiod sy Seod ii 5 Zm i ji ojalojd wa Sepeoyioedsea sapepquenhb seu o sajualajal INGY ep SBLUOU a S80 PRAJDAdSa se ogleasopeqo jeianjd enbe s oj0bsa Grex expo Bods eos p Dn Do meS i nm apices fupe Pd P di 7 e TI A x PF i ORDUSINUBLU Jog OPUNILLUad jJeured ou ojuauieqe e ap pad Woo eu ende eed JaAepjos DA ep seulo xe OBS seoineJpiu SBO EJEIJSUI sy PDI NEIPIH OP EJEJSUJ SBOL S S SEXIE se eJed uiequig WIssy souiseul sop OB B
15. regime permanente ou SST e em regime quase din mico ou QDT Ambos os regimes s o v lidos para o c lculo da efici ncia no entanto o regime quase din mico est mais pr ximo do funcionamento normal do colector e tem uma selec o de dados mais abrangente o que faz com que seja mais utilizado A sequ ncia de testes inclui um outro colector solar com efici ncia m dia que constitui um elemento de compara o com o prot tipo Utiliza se o software TRNSYS para a simula o transiente do sistema de forma a determinar a vantagem energ tica proveniente da utiliza o da energia Solar Na an lise econ mica do colector prot tipo calculado o tempo de retorno do investimento para diferentes valores da rea do colector e assim calcular v rios valores do ganho econ mico resultante O m todo utilizado na an lise econ mica o m todo LCS ou Life Cycle Savings Palavras chave Colector Solar Energia Solar SST QDT EN12975 LCS Lu s Pedro Vitorino Gomes ii Simula o de um Colector Solar Incorporado numa Telha Abstract Abstract The test of solar collectors is done with the objective of determining their effectiveness for the radiation levels available in the place The solar energy is then converted in order to heat up the water that circulates inside the solar collector The collector tested is a prototype where the absorbing plates are integrated in a steel tile included in the project of a low cost house
16. 1 Figura 4 Colector Solar incorporado na telha met lica instalado na Banca de Ensaios 22 Figura 5 Configura o da Bancada de Testes para um colector solar quando o fluido de transferencia de calor um guido e pn e a Pe ds ea racial Na Pas Pt RU YU aaa 23 Figura 6 Diagrama de Blocos do Programa de registo de dados dos Ensaios de COPECO s boe olestie petia REP DR dh A za ad a 25 Figura 7 Bloco de c lculo que efectua a correc o do valor da radia o difusa devido tiliza o do an lsombreador sua is Cres tdv E eee ln diva o east 26 Figura 8 Bloco de c lculo que converte a vaz o volum trica para vaz o m ssica 27 Figura 9 Bloco de c lculo da pot ncia medida do colector com a depend ncia do calor especifico pela temperat ta a decedente pire zb aa adaga p IER c alae 27 Figura 10 P gina de resultados das perdas t rmicas calculados no programa EES 28 Figura 11 Gr fico da dependencia angular de ER eee eiaetru trit ox btt endete 31 Figura 12 Gr fico da Radia o Solar no dia 17 de Junho de 2011 33 Figura 13 Gr fico da diferen a de temperaturas em fun o da Radia o Global 34 Figura 14 Radia o Solar directa e difusa para v rios ngulos de incid ncia 35 Figura 15 Gr fico da depend ncia entre Radia o Difusa e Radia o Global 36 Figura 16 Gr fico da efici ncia medida e efici ncia do modelo
17. 186 399 No sistema estudado considerado um custo de R 400 m para os colectores solares A taxa de juro sobre o dinheiro emprestado de 10 e as presta es para amortizar o valor do investimento t m valores fixos para os v rios anos Os valores das amortiza es s o referentes ao investimento inicial e incluem o valor da taxa de desconto O factor de que mais fortemente depende a amortiza o do investimento a rea de abertura do colector solar Para as v rias reas de abertura do colector apresentada a an lise do investimento no gr fico da Figura 23 Lu s Pedro Vitorino Gomes 51 Simula o de um Colector Solar Incorporado numa Telha RS 700 An lise do Investimento RS 200 20 Tempo de retorno 25 R 300 R 800 rea de 6m Montante Investido R rea de 4 m rea de 2 m R 1 300 R 1 800 Figura 23 An lise de investimento calculando o tempo de retorno pelo m todo do VLA O periodo de retorno menor acontece para a situa o de menor rea de abertura de colector pois o investimento inicial tamb m reduzido A an lise do ciclo de custos e ganhos do sistema solar feita na tabela seguinte S o comparados os valores do ciclo de custo para as situa es em que utilizada a energia solar e para quando apenas utilizada a energia el ctrica Para cada valor de rea resulta um valor dos ganhos provenientes da energia solar Tabela 13 LC
18. 3 Lisoi Hs Kiso espessura x Perimetro x altura do coletor 4 e ee recie tm an O c lculo de U pode ser realizado a partir da equa o apresentada por Duffie amp Beckman no Livro Solar Engineering of Thermal Processes 2006 pp 253 mas o seu c lculo torna se muito complexo portanto escolheu se utilizar o software EES Academic Professional V8 640 com equa es mais simples A finalidade deste c lculo te rico a posterior compara o com os dados obtidos nos ensaios As equa es introduzidas no software foram q U Tom Ta 5 Lu s Pedro Vitorino Gomes Simula o de um Colector Solar Incorporado numa Telha Cpe 2 6 q holTpm Te 1 5 1 amp 1 q hy Te e Ta ge T E Ta 7 Onde o ndice p referente placa absorvedora o ndice c cobertura o w ao vento e o indice a ao ambiente O EES efectua um c lculo iterativo e necessita de duas equa es que calculam o n mero de Nusselt Nu e uma outra para o n mero de Rayleigh Ra Ra aUos TEJE 8 Tn Va 1708 sin1 88 16 1708 7 9 Nu 1 1 44 x Ra cosp Ra cosp Jem 1 hL 10 O resultado do m todo iterativo ser o termo das perdas pelo topo do colector U No entanto foi adicionada mais uma equa o com o intuito de definir a temperatura m dia do fluido e assim podendo ignorar a temperatura m dia da placa o que resulta numa simplifica o do c lculo das perdas t rmicas A eq
19. C FCTUC FACULDADE DE CI NCIAS ETECNOLOGIA UNIVERSIDADE DE COIMBRA DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA MEC NICA Simula o de um Colector Solar Incorporado numa Telha para Edifica es de Baixo Custo Disserta o apresentada para a obten o do grau de Mestre em Engenharia Mec nica Autor Lu s Pedro Vitorino Gomes Orientadores Professor Rui Figueiredo Professor S rgio Colle J ri Presidente id Professora Doutora Cristina Louro da Universidade de Coimbra Vogais Professor Doutor Rui Figueiredo da Universidade de Coimbra Professor Doutor Ant nio Raimundo da Universidade de Coimbra Colabora o Institucional Universidade Federal de Santa Catarina UNIVERSIDADE FEDERAL DE SANTA CATARINA Coimbra Setembro 2011 Aprender a nica coisa de que a mente nunca se cansa nunca tem medo e nunca se arrepende Leonardo da Vinci Para minha M e Simula o de um Colector Solar Incorporado numa Telha Agradecimentos Agradecimentos Agrade o ao meu orientador Professor S rgio Colle por me ter dado a oportunidade de estagiar no LABSOLAR Agrade o ao aluno de doutorado no LABSOLAR Jos Cardemil pela sua disponibilidade e simpatia Agrade o a ajuda do Sr Engenheiro J lio Scussel sem o qual n o teria sido poss vel a montagem do colector na bancada Quero agradecer a todos os meus colegas do LABSOLAR que de certa maneira me fizeram sentir melhor recebido e me auxiliaram sempre que precisei ao lon
20. CTORES A publica o da Norma EN12975 estabeleceu uma orienta o nica nos procedimentos de teste de colectores solares na Europa Antes desta existiam as normas ISO9806 e a ASHRAE 93 77 para ensaios em regime permanente A norma europeia permitiu a uniformiza o das bancadas de teste para ensaios em regime quasi din mico Este teste permite uma maior gama de condi es climat ricas podendo tamb m ser comparado com o teste em regime permanente A defini o da efici ncia medida Nmea O quociente entre a energia solar dispon vel e o ganho energ tico transportado pelo fluido traduzido pelo difer ncial de temperatura entre a entrada e a sa da do colector conforme segue _ til y Tro Tj QU Nmed Ac x G Na bancada de ensaios podem ser realizados ensaios em regime permanente SST e regime quasi din mico QDT Os transdutores que registam as condi es de radia o solar e ambientais da bancada permitem que seja feito um balan o energ tico do colector relacionando o com o s tio onde est instalado Assim contabilizando as perdas e ganhos energ ticos podemos obter valores de efici ncia do colector e simular o seu comportamento para per odos de tempo mais longos que os dos ensaios O TMY um conjunto de dados meteorol gicos registados por esta es de medida num local definido e para um per odo de tempo superior a um ano normalmente de 30 anos Neste banco de dados s o definidos os valores t picos anuais n
21. IUGEJ ep 0sseoo d o ejueinp jauled oucdoud ou sopunquis sapinpuoo somnpolo j ep saABIJE 9 Coulee Oop3p psul V oos 3 E R EI pS EJIIJD Z oe5e e1suJ jog CLOUD Old DIJUO Alo nmm og5opuni A BUPD SSIS osid jeuibd pdopoa Do5opung BZB SUB Sa SUBA oedepunj eu oedexi BUJEJ eu aured op WebeJooue ered saJopexy ap oB RI dE s o Jhd P ll EYED soogosdse SOSNJEJEd ap SBAEJE oB epuny ojaJ2U09 OU euiseui ep OB EXIJ eJed ege ap aisedsa ewn inssod eue s3 sieuied so SOpEXI a sopeuornisod oes apuo BIHDAdsa OBSUSLUID LUOD opesnilX9 JAT SP N QJEWUO uua eue ewn opezi nn a og3pepunj BU sisuled sop OB BXIJ EIB BSP Bp EHUSI apoJed eu ono a siege sepeJed seu uin solode siop wa Sepexy OBS seya sy ausinpues TNM Bula eudoid quni 3 oro O sajuaiquie SIBLUSP SON DAG GUO ap op eajde ey anb we eseo ep ajuaiquie ODIUN o 3 oJequegq O STO Doi e WU OD L Us QUO ap OJUSLUBGLIB oudoJd o opuep ejueyiod ojne SUuneaeb edeyo Sd awnyjesjeb oje edeyy eyoInpues ody op eansna3e oul PUR uia opejnaaxe e OPEUJEI O eJnjloqo soyosife Bn a Doar ANEXO 3 Lu s Pedro Vitorino Gomes 72 O Sistema de aquisi o de dados ou bancada tem dois piran metros do fabricante Kipp amp Zonen Um que efectua as medi es da radia o global G e outro acoplado com um anel sombreador utilizado para medir a radia o difusa
22. O coeficiente quadr tico de perdas t rmicas tamb m superior para a curva do ensaio em regime permanente A intercep o das curvas com o eixo vertical d o valor da efici ncia do colector sem perdas t rmicas pois nesse eixo que a temperatura ambiente igual temperatura m dia do fluido no colector A partir desse ponto podemos reparar que o desenvolvimento da curva SST tra ada com menos valores no primeiro quadrante do que a curva QDT e este comportamento se deve ao menor n mero de dados validados para o ensaio em regime permanente 5 2 Efici ncia energ tica do colector dependendo da rea A grande diferen a do colector integrado na telha met lica para os demais colectores venda no mercado a rea de absor o da radia o solar que diminu da em compara o com a sua rea de abertura Procedeu se ao c lculo da efici ncia energ tica do colector em fun o da rea de abertura e da rea do absorvedor Os termos dos ganhos e das perdas t rmicas s o os seguintes Para a efici ncia baseada na rea do absorvedor Fr tap 0 67 FRUL 10 31 e para a da area de abertura Fa 1a5 0 52 FrUL 10 16 Comparando os valores verifica se que o colector integrado na telha perde uma parte significativa da radia o nele incidente devido ao seu perfil que n o permite a inclus o de um maior n mero de placas absorvedoras Cerca de 30 da radia o solar Lu s Pedro Vitori
23. Pedro Vitorino Gomes Simula o de um Colector Solar Incorporado numa Telha Largura 1020 mm Altura 68 mm Material da telha Chapa Galvalume Isolamento estrutural da telha Espuma de Poliestireno Expandido 4 Absorvedor Material Cobre Espessura 0 2 mm Tratamento de superf cie Superf cie Pintada com Primer Vinilico preto Fosco Glasurit Basf Absort ncia 0 95 Emit ncia 0 86 Padr o de Escoamento Paralelo Dimens es dos tubos de absor o 15mm x 0 4mm Dexx e N mero de Tubos de Absor o 5 Dimens es do Tubo de Topo em cobre 28mm x 0 4mm Dexx e 5 Cobertura Transparente N mero 1 Material Vidro Branco Espessura 3 mm Fixa o Telha Silicone 6 Isolamento Material L mineral para o Tubo de Topo Poliestireno expandido na estrutura da telha Densidade 20 kg m Espessura 20 mm 50 mm 7 Limita es Temperatura de Estagna o C 160 C Press o m xima admiss vel de opera o 4 bar Lu s Pedro Vitorino Gomes Simula o de um Colector Solar Incorporado numa Telha 2 3 Perdas T rmicas As perdas t rmicas introduzidas na equa o pelo elemento U s o calculadas a partir da temperatura m dia da placa como segue U U U Ue W mK 1 onde U o coeficiente de perdas t rmicas pelo topo U o coeficiente de perdas pela parte inferior do colector e U as perdas pelos lados do colector j 1 T Q hep c T hy p c hy fis c a Us Kiso
24. S Evacuated Tube Solar FCTUC Faculdade de Ci ncias e Tecnologia da Universidade de Coimbra LABSOLAR Laborat rio de Energia Solar T rmica da UFSC Lu s Pedro Vitorino Gomes ix Simula o de um Colector Solar Incorporado numa Telha LCC Life Cycle Cost LCS Life Cycle Savings MLR Multi Linear Regression QDT Quasi Dynamic Test SDHW Solar Domestic Hot Water SST Steady State Test SWERA Solar and Wind Energy Resource Assessment TMY Typical Meteorological Year TRNSYS Transient System Simulation Program UFSC Universidade Federal de Santa Catarina VLA Valor L quido Actual Lu s Pedro Vitorino Gomes Simula o de um Colector Solar Incorporado numa Telha Indice Indice de BISITAS cmn sata OL V O O PO O OL iv ifidice ST ADE AS as ara or E R SR pe O A O OOP PS dus V Simbologia ATA totu added oss tede atte elu Lut euer ete ce co bi luco ma vi vinis vi STOlAS TE ix 1 JIttodueao sos elt on o uen A Vs or nu EU l Z Colectores Solares PLANOS ose Rh TS i a 4 2415 Colector Solar em Es indore cs ees capa dg a ranes pa a vans 5 2 2 Especifica es Gerais do Painel oe a Eee te ers teer dl e nenas 6 2 2 7 Perdas FermiCaS a Ce esee ette nad aedes lii ete tomes Eat es 8 2 4 Factor de efici ncia do colector uci ecu hse Ve NS RU DIN EE Rua 10 3 Ensaios de Colgeetofes eei dv identeser titu diea E n ei a aan 13 3 1 Ensaio em regime permanente nas oi earl arcas eaaet t Iia eO
25. S Solar para v rias reas de colector rea m LCC SOLAR LCC N O SOLAR LCS R 2 R 4 578 R 5 276 R 699 4 R 4 419 R 5 267 R 848 6 R 4 660 R 5 275 R 616 8 R 5 228 R 5 276 R 49 10 R 5 931 R 5 276 R 655 O valor do investimento em equipamento foi o mesmo para todas as reas de abertura do colector solar em 20 anos de an lise do investimento O LCC n o solar Lu s Pedro Vitorino Gomes 52 Simula o de um Colector Solar Incorporado numa Telha tem valores bastante semelhantes pois s depende do fornecimento de energia el ctrica Enquanto o LCC solar diminui de valor pois com o aumento da frac o solar dependente da rea do colector diminuem os custos da energia el ctrica Entre os valores de 8 m e 10 m o sinal do valor LCS torna se negativo e o aumento de rea deixa de ser justificado Para um valor da rea de 4 m existe um valor m ximo como se pode ver na Figura 24 R 1 000 LCS Solar RS 800 RS 600 RS 400 RS 200 RS O LCS Solar R 10 12 RS 200 Area de Abertura m2 RS 400 RS 600 RS 800 Figura 24 Gr fico do LCS Solar dependente da Area de abertura A curva come a no valor de 2 m de rea subindo o valor do LCS at ao valor de 4 m de onde a fun o dos ganhos da aplica o do sistema solar come am ser menores O colector testado para ser um investimento com retorno tem de ter uma rea n o superior a 6 m A telha da casa de baixa de rend
26. Sed p Ra 14 34 Ensaio em regime quasi din mico is cassa ect ani RE sds area and 15 3 95 Petiodode leste a dd aaa 20 3 4 Curvas d Efici ncia Normalizada uii asd ersten be qud o LA oed aen ae adu 21 4 Material e m todos asse ite pr to eere pte ima ac aute fa ied upra ee a 22 Aid Dancadade ENSAIOS sanada ria a SC caves ondeecusbenauia eaters 22 4 2 Programa de aquisi o de dados ass passada ets tas sandes 24 43 Calc los TE TICOS paises ee terri ed a ass ee RE Re re eG as 28 5 Resultados E discuss ae uas ehren aguia hassstit i qua totas ue velada dee EVE Rama nds 33 5 1 Ensaio em regime Permanente a siga da Pause eed 40 5 2 Efici ncia energ tica do colector dependendo da rea eee 42 5 3 Compara o do colector prot tipo com um colector de efici ncia m dia 43 5 4 Modela o Transiente do Colector Solar esse 47 5 5 An lise Econ mica do Colector Solar erect entstehen n eB 50 O CONCIUSOPS uie eut P REOR O P id alga aaa 54 da Refer ncias BIbliOgr ficas oie dedu iai aa ad Sa 56 ANEXO D tst e da a A a ttn etae tn 58 ANEXO 2 e uou ctm UV E MU MM E f Nel d 61 AINENO oto oko e eminet uw ado ve bo e et a me 72 Lu s Pedro Vitorino Gomes xi Simula o de um Colector Solar Incorporado numa Telha 1 INTRODU O Hoje em dia na pr tica da Engenharia a Energia Solar T rmica encontra se bem representada por modelos e solu es para todos os n ve
27. a onde instalado o colector solar permite uma grande rea instalada Para um per odo de actividade de pelo menos 20 A A 2 anos o sistema torna se vantajoso para valores de rea at 6 m Lu s Pedro Vitorino Gomes 53 Simula o de um Colector Solar Incorporado numa Telha 6 CONCLUS ES O objectivo do est gio era testar um prot tipo de um colector solar plano e fazer uma an lise econ mica do mesmo pelo m todo LCS O estudo da efici ncia do colector e o estudo econ mico revelaram que para que o colector seja um bom investimento ter de ter uma rea de abertura inferior a 6 m Na compara o entre os dois colectores solares testados pode concluir se que o prot tipo de baixa qualidade no entanto um colector de baixo custo e de design simplificado cujo objectivo diminuir os custos com a energia apenas uma proposta inicial que merece aten o por parte do fabricante para melhorar o projecto da casa onde o colector deve ser inclu do A necessidade de aumentar a rea de absor o do colector foi identificada quando o par metro Fr ta aumentou de valor em uma d cima ao utilizar a rea das placas absorvedoras no lugar da rea de abertura do colector Como foi mencionado nos coment rios performance t rmica do colector existem pontos de contacto entre a telha met lica quente e o vidro colocado por cima da telha Esses pontos de contacto fazem aquecer o vidro e tornam no mais opaco ao ser atr
28. a x Radia o E 600 Difusa amp 500 o o 400 o 300 200 100 0 0 20 40 60 80 100 120 i 1 116 Figura 12 Gr fico da Radiac o Solar no dia 17 de Junho de 2011 Lu s Pedro Vitorino Gomes 33 Simula o de um Colector Solar Incorporado numa Telha A figura 13 apresenta o comportamento t pico da radia o Solar para um dia de c u limpo Existe uma pequena oscila o dos valores da radia o no final da curva que se deve exist ncia de nuvens A radia o difusa mant m se num n vel de 100 W m ao passo que a radia o directa aumenta o seu valor at ao elemento 60 meio dia solar para depois voltar a decrescer at ao final do dia O gr fico seguinte Figura 13 demonstra como a diferen a de temperatura do fluido e do ambiente depende da radia o solar total 20 18 16 14 12 10 Diferen a entre a Temperatura m dia do fluido e a Temperatura Ambiente Tm Ta O N R Q oc 0 00 200 00 400 00 600 00 800 00 1000 00 Radia o Global G W m 2 Figura 13 Gr fico da diferen a de temperaturas em fun o da Radia o Global O gr fico anterior apresenta uma concentra o de valores na faixa de AT que vai de 12 a 14 C sendo nessa faixa que os valores da radia o s o os mais elevados Essa concentra o til para a determina o da efici ncia do colector no entanto para valores de AT elevados correspondem perdas t rmicas superiores A gua 0 7 aquecida a 40 C no aq
29. a normaliza o da curva de efici ncia do ensaio QDT Pois o ensaio em regime quasi din mico pode conter maior instabilidade na curva de efici ncia que o SST A norma ABNT CB 55 define que as curvas normalizadas de efici ncia devem ter as seguintes condi es e Radia o Global 800 W m Radia o Directa 680 W m com 85 da radia o global e Radia o Difusa 120 W m 15 da radia o global e ngulo de incid ncia 15 A efici ncia normalizada define se pelas seguintes express es Tn Ta Tm D Nnorm Nonorm T ky EXE AS kz m 32 Onde Gp 0 Ga G Kop 15 E Koa No norm No 33 Lu s Pedro Vitorino Gomes 21 Simula o de um Colector Solar Incorporado numa Telha 4 MATERIAL E M TODOS 4 1 Bancada de Ensaios A bancada de testes do LabSolar est localizada em Florian polis no topo do edif cio do Bloco A3 da Engenharia Mec nica com as coordenadas S 27 60 para a Latitude e W 48 31 4 2 de Longitude A bancada de ensaios com a montagem para o teste do coletor integrado na telha apresentada na figura 4 Figura 4 Colector Solar incorporado na telha met lica instalado na Banca de Ensaios A figura anterior mostra a telha de chapa galvalume na cor laranja e as placas absorvedoras a negro Assim como parte da estrutura met lica que sustenta o colector fixando o com um ngulo de 45 em rela o ao plano horizontal Lu s Pedro Vito
30. a para compensar per odos de baixa frac o solar O volume do reservat rio de 3001 O Perfil de consumo representado na Figura 22 20 18 o 16 gt 14 S 12 bo lt 10 gz AE ua S 0 123456789101112131415161718192021222324 Hor rio do dia Figura 22 Perfil de Consumo de gua quente dom stica O colector solar definido pelos par metros retirados dos ensaios Fr TO e FrU especificando as caracter sticas energ ticas do colector pois a express o utilizada para a modela o apenas inclui perdas t rmicas lineares Na simula o a gua que circula dentro do colector est em circula o for ada por uma bomba que debita um caudal m ximo de 200 kg h O objectivo da utiliza o do programa obter informa es sobre a frac o solar ao variar a rea instalada de colectores A frac o solar de um sistema representa a quantidade de energia solar que passa a ser utilizada pelo sistema dada pelo quociente Lu s Pedro Vitorino Gomes Simula o de um Colector Solar Incorporado numa Telha entre a energia solar absorvida e a necessidade energ tica total do sistema O registo de valores feito para os per odos di rio e anual E utilizado o anual pois totaliza todas as informa es sobre o colector O sistema modelado tem as seguintes caracter sticas e Orienta o do Coletor Norte e ngulo de inclina o da superf cie Latitude 10 37 5 e Volume do reservat rio 3001
31. adia o Difusa e Radia o Global Lu s Pedro Vitorino Gomes 36 Simula o de um Colector Solar Incorporado numa Telha Para o ensaio do colector integrado na telha de dia 17 de Junho de 2011 foi poss vel validar dados das medi es e efectuar a regress o multi linear de forma a obter os coeficientes do modelo para tra ar as curvas de efici ncia do colector 0 45 0 4 9 med 0 35 E mod 0 3 0 25 y 10 162x 0 5182 0 2 0 15 y 10 13x 0 5194 0 1 0 05 0 0 0 01 0 02 0 03 0 04 0 05 0 06 Tm Ta G Figura 16 Gr fico da efici ncia medida e efici ncia do modelo Como percept vel na figura 16 h uma boa aproxima o do modelo aos valores medidos e isso se deve estabilidade da vaz o e controlo da temperatura de entrada com varia es inferiores a 1K As equa es que minimizam os pontos da medi o e os pontos calculados pelo modelo s o respectivamente y 10 162x 0 5182 y 10 13x 0 5194 onde Fn 1 amp 5 exp 0 5182 FRU exp 10 Comparando com os valores calculados teoricamente Lu s Pedro Vitorino Gomes 37 Simula o de um Colector Solar Incorporado numa Telha Fa Tap 0 5891 FRU 4 3 1 Observa se nos dados do ensaio maiores perdas t rmicas e menores ganhos provenientes da radia o quando comparamos estes valores aos valores calculados teoricamente O elevado factor das perdas t rmicas nos dados do ensaio fica a dever se ao isolam
32. aixa no entanto h uma disponibilidade de rea bastante grande e como os custos de constru o n o incluem a caixa met lica de Lu s Pedro Vitorino Gomes Simula o de um Colector Solar Incorporado numa Telha suporte s placas absorvedoras o custo final reduzido A figura 2 ilustra como as placas foram acopladas telha da casa Figura 2 Perfil do colector solar prot tipo sujeito a teste Legenda 1 Cobertura de Vidro 2 Placa Absorvedora 3 Tubo absorvedor de calor 4 Telha Met lica 5 Isolamento T rmico EPS O perfil da telha permite que as placas absorvedoras sejam colocadas em espa os individualizados Assim h uma parte da rea do colector que n o utilizada para absorver radia o o que faz reduzir o n vel de efici ncia quando comparado com outros colectores de placa plana onde as placas absorvedoras t m uma distribui o cont nua Ocupando pouco mais de 60 da rea de abertura da telha as placas absorvedoras v o fornecer menos calor ao fluido sendo de esperar que a efici ncia do colector seja menor que a de um colector de efici ncia m dia 7 0 7 2 2 Especifica es Gerais do Painel 1 Fabricante Solares Estado de Santa Catarina Brasil Prot tipo constru do em 2011 2 Dimens ess do Coletor rea Total 1 63 m rea de Abertura 1 265 m rea do Absorvedor 0 795 m 3 Geometria Colector Solar Plano Comprimento 1240 mm Lu s
33. alculados pela regress o multi linear e suas incertezas 38 Tabela 5 Coeficientes do coletor calculados pela regress o mutli linear e a sua incerteza expandidqua s So db esq aane d S bU a bet ot qut deoa ERU cest 39 Tabela 6 Coeficientes do Colector obtidos pela regress o multi linear em regime quase ATR ATEN CO ous vba deze cas e Ri a tir cu FAR I A eO Ee la dele tare ed e l 40 Tabela 7 Factor de correc o da radia o solar directa sssssssssss 41 Tabela 8 Coeficientes SST do Colector obtidos pela regress o multi linear 41 Tabela 9 Coeficientes do Colector de efici ncia m dia sss 44 Tabela 10 Comportamento energ tico do sistema para v rias reas de colector solar 49 Tabela 11 Valores do volume do reservat rio simulados no per odo de um ano 50 Tabela 12 Varia o da Economia do Sistema com Aquecimento Solar em Fun o da rea de abertura do Colector ccsccsssssesssssesssssessssssssssessussessessessessssisssssusssssessussecseesesseeseeses 51 Tabela 13 LCS Solar para v rias reas de colector ssssssssseeee 52 Lu s Pedro Vitorino Gomes V Simula o de um Colector Solar Incorporado numa Telha SIMBOLOGIA E SIGLAS Simbologia Letras Latinas aj Coeficientes da regress o multi linear onde k 1 j AA rea das placas absorvedoras do colector m Aa rea de abertura do c
34. avessado pela radia o solar resultando num menor aproveitamento da energia solar Mas a parcela mais importante no c lculo da efici ncia para colectores de efici ncia m dia continua a ser a rea de absor o da radia o solar Dessa forma tamb m foi confirmado no c lculo da frac o solar feito na modela o transiente que quando se variou aumentou a rea de colector a frac o solar correspondeu em varia o aumento tamb m As melhorias do colector podem se localizar na capacidade de absor o aumentando o no ou na melhoria do isolamento diminuindo as perdas t rmicas ao minimizar os coeficientes k e ky No entanto como foi demonstrado na apresenta o de resultados o facto de o colector ser a parte integrante de uma telha faz com que ele perca rea de absor o O c lculo efectuado para a rea do absorvedor mostrou que o perfil da telha ocupa espa o que poderia ser usado para captar mais energia solar Mas como a rea dispon vel da telha da casa elevada a aplica o de tubos e placas absorvedoras facilitada Lu s Pedro Vitorino Gomes Simula o de um Colector Solar Incorporado numa Telha A an lise econ mica revelou que a rea de colector solar n o pode exceder os 6 m Este fato determinante na escolha do colector a instalar pois n o t o atractivo instalar 5 m como ser em simplicidade instalar 2 m de colector solar A impress o com que fico do colector integrado na telha
35. bsorvedora m Letras Gregas a ngulo de soldadura entre o tubo de absor o e a placa plana ap Absort ncia da placa absorvedora Gar Difusividade t rmica do fluido B Angulo de inclina o da superficie do colector y Espessura da soldadura entre o tubo e a placa absorvedora m 5 Angulo de declina o solar Lu s Pedro Vitorino Gomes viii Simula o de um Colector Solar Incorporado numa Telha Ec Emit ncia da cobertura E Erro entre o valor da medi o e o valor do modelo de regress o linear y Emit ncia da placa 1 Efici ncia energ tica No Efici ncia energ tica sem perdas t rmicas No norm Efici ncia energ tica sem perdas t rmicas Nnorm Efici ncia energ tica normalizada G 800 W m Nmed Efici ncia energ tica medida Nmoa Efici ncia energ tica do modelo 9 Angulo de incid ncia do Sol sobre o colector A Comprimento de onda da radia o um v Viscosidade cinem tica m s o Constante de Stefan Boltzmann igual a 5 67 x 10 W m K T Transmitancia do vidro da cobertura Latitude ws Angulo do nascer do Sol Siglas ABNT Associa o Brasileira de Normas T cnicas ASHRAE American Society of Heating Refrigerating and Air Conditioning Engineers CF Cash Flow DEM Departamento de Engenharia Mec nica EES Engineering Equation Solver EPS Expanded Polystyrene ET
36. cada forma desenvolvidas pelo aluno de doutoramento Manfred Kratzenberg na sua disserta o de mestrado M todo para Avalia o de Incertezas de Ensaios de Colectores Solares Baseados nas Normas EN12975 e ISO9806 As conclus es obtidas s o fundamentadas pela compara o entre dois colectores solares testados na bancada de ensaios do LABSOLAR Os colectores propostos a teste foram ambos fabricados no estado de Santa Catarina com diferentes configura es assim obtendo resultados necessariamente diferentes Lu s Pedro Vitorino Gomes Simula o de um Colector Solar Incorporado numa Telha Colectores solares de placa plana s o normalmente montados como caixas met licas sobre o telhado das habita es e do lado onde incide a irradia o a caixa coberta por um vidro que ajuda a criar um espa o com ar diminuindo as perdas t rmicas do colector pelo topo assim como as perdas por radia o devido s reflex es provenientes das placas absorvedoras Por fim a energia solar absorvida pelas placas transmitida para o fluido que passa nos tubos do colector sendo armazenado no reservat rio de gua quente O estudo energ tico de um colector solar prot tipo que ao inv s de ter as placas absorvedoras confinadas numa caixa met lica estas s o incorporadas no perfil de uma telha de chapa galvanizada o objectivo O perfil da telha permite que seja colado um vidro de fina espessura por cima da telha tapando os elementos abs
37. como uma perda do sistema A express o do modelo completo para uma vasta gama de colectores solares a seguinte G E AT AT AT 23 Nmoa NoKop 0 NoKoa to kgu k k2 A ksu c 1 dT 1 K uje SME on Ka E oTa Je ks dt G Os coeficientes a calcular s o os seguintes e ng Efici ncia do coletor para uma irradia o normal sem perdas t rmicas e k coeficiente de perdas t rmicas linear e k coeficiente de perda t rmicas quadr tico e ks coeficiente de perdas por ac o do vento dependente da sua velocidade e k coeficiente de perdas por radia o de onda longa e kg capacit ncia t rmica efetiva e kg depend ncia de no pelo vento e Kop 8 Fator de correc o do ngulo de incid ncia da radia o direta e Kg Fator de correc o do ngulo de incid ncia da radia o difusa A depend ncia do ngulo de incid ncia calculada pela express o Tp Q4 ray 1 Rob cs 1 Onde bg corresponde ao factor de sensibilidade para a fun o 1 Os coeficientes considerados obrigat rios para todos os colectores s o apenas No Kop 0 Koa K k e ks Assim o modelo a ser utilizado nos testes para colectores planos com cobertura de vidro o seguinte Lu s Pedro Vitorino Gomes 16 Simula o de um Colector Solar Incorporado numa Telha Gp Ga AT AT dT 1 25 Nmod NoKop 0 NoKea c KT k gt Co ks dE he Substituindo K
38. do transdutor e colector no mesmo plano A vaz o volum trica de fluido circulando controlada por um transdutor de indu o marca Krohne Cohnaut de modelo IFC 020 Vaso de Expans o de cor vermelha aquecedores de passagem na parte inferior da imagem e medidor da vaz o ao centro com cor azul Parte do sistema hidr ulico com ambas as bombas fazendo a gua do sistema circular Em baixo direita est um termo resistor Lu s Pedro Vitorino Gomes 15 Elemento de controlo do Rack direita e mostradores dos valores da vaz o esquerda Atrav s dos elementos de controlo poss vel regular a temperatura dos aquecedores de passagem No caso das medidas dos valores de caudal estas podem ser consultadas no elemento de controlo do Rack mas a sua varia o ter de ser feita com as v lvulas manuais do sistema hidr ulico Quando alterado o valor do aquecimento artificial ter de haver um reajuste do caudal para que este se mantenha entre os valores admiss veis pela norma Na norma especificado o limite da presen a de obst culos que em frente ao colector n o dever o ter ngulos inferiores a 15 evitando a obstru o de c u vis vel no hemisf rio do piran metro recomendada a instala o de um ventilador coberto por uma chapa de cor branca quando a velocidade m dia do vento inferior a 3 m s Os piran metros devem ser instalados do lado do colector com a mesma inclina o e azimute Segu
39. do modelo apresenta se da seguinte forma AT AT 22 Nmod No 1 E ae Onde no representa a efici ncia do coletor para uma irradia o normal sem perdas t rmicas e k ocoeficiente de perdas t rmicas linear e k coeficiente de perdas t rmicas quadr tico e e AT a diferen a de temperatura entre a temperatura m dia do fluido Tout Ti a e a temperatura ambiente T ent o AT Tm T K O ensaio em regime permanente n o possui um factor de correc o do ngulo de incid ncia para a radia o difusa porque esta toma o valor zero devido a toda a radia o ser interpretada como radia o directa Lu s Pedro Vitorino Gomes 14 Simula o de um Colector Solar Incorporado numa Telha Alguns limites para a valida o de dados comuns a ambos os m todos de ensaio s o impostos pela Norma ABNT CB 55 e A condi o para o ngulo de incid ncia satisfeita se o ngulo de incid ncia da radia o directa na abertura do coletor for menor que 20 e Imposto o limite m ximo de radia o difusa em 30 da radia o global ou m G seja Fy lt 0 3 onde Fy a fra o difusa Fy O vento controlado artificialmente sobre o plano da cobertura atrav s de um ventilador deve ser 3 1 m s e O caudal do fluido deve ser fixa e igual a 0 02 kg s por metro quadrado de area do coletor O valor ajustado durante cada periodo de ensaio deve ser mantido est vel com va
40. e de rea W m q fin Pot ncia t rmica da alheta por unidade de rea W m q tube Pot ncia t rmica do tubo de absor o por unidade de rea W m Ra N mero de Rayleigh Lu s Pedro Vitorino Gomes vii Simula o de um Colector Solar Incorporado numa Telha s Vari ncia dos coeficientes da regress o S Radia o solar absorvida pelo colector por unidade de rea W m S Factor de visibilidade do anel sombreador t vari vel do tempo s T Temperatura K Ta Temperatura ambiente K Ty Temperatura da base da placa K T Temperatura da cobertura K Tri Temperatura do fluido entrada do colector K Tr Temperatura do fluido sa da do colector K Tm Temperatura m dia de fluido K Tom Temperatura m dia da placa absorvedora K AT Diferen a entre as temperaturas m dia do fluido e ambiente K ta 2n k Coeficiente t student para um grau de signific ncia a 2 u Velocidade do vento m s u a Incerteza padr o relativa ao coeficiente U a Incerteza expandida relativa ao coeficiente Up Perdas t rmicas pela base do colector W mK U Perdas t rmicas pelos bordos do colector W mK U Soma das perdas t rmicas do colector W mK U Perdas t rmicas pelo topo do colector W mK V ngulo de obstru o do anel de sombreamento a partir do centro do domo do piran metro W Largura total da placa a
41. ento deficiente do colector sendo que as perdas s o em mais que 2 vezes superiores do valor te rico Os coeficientes resultantes da regress o multi linear s o apresentados como segue Tabela 4 Coeficientes calculados pela regress o multi linear e suas incertezas Coeficientes MLR Incertz Padr o u i Incertz Expandida U i al 0 47 0 05 0 085 a2 0 337 0 087 0 146 a3 1 44 0 22 0 37 a4 34 38 5 41 9 01 a5 1 80 0 25 0 42 a6 6437 960 1598 A incerteza padr o da regress o calculada pela seguinte express o da on EE e A incerteza expandida calculada a partir da vari ncia dos coeficientes var a onde o n mero de coeficientes j 1 a 6 Para um n vel de confian a 1 0 100 95 Deve utilizar se um coeficiente de student de ty2nx com um grau de signific ncia 0 2 e com n k graus de liberdade Com n sendo o n mero de pontos de medi o n mero de dados validados e k o n mero de coeficientes do sistema o modelo adoptado tem 6 coeficientes A express o a seguinte Lu s Pedro Vitorino Gomes 38 Simula o de um Colector Solar Incorporado numa Telha U aj tayan r a 42 Os coeficientes do colector s o expostos na Tabela 5 apresentada como segue Tabela 5 Coeficientes do colector calculados pela regress o multi linear e a sua incerteza expandida Coeficientes do Coletor Incertz Expandida nO 0 47 0 085 bo 0 72 0 146 KOd 3 09 0 366 k1 34 38 9 01 k2 1 80
42. etivo ou seja deve apresentar alta absort ncia e baixa emissividade O colector testado na bancada do LABSOLAR comparado a um outro colector plano com efici ncia m dia constru do pelo mesmo fabricante Em colectores Lu s Pedro Vitorino Gomes Simula o de um Colector Solar Incorporado numa Telha planos o n vel de perdas t rmicas maior do que em outros coletores como os de tubos de v cuo ou ETS No entanto estes colectores s o mais vers teis e podem ser utilizados numa ampla faixa de condi es clim ticas pois poss vel adicionar anti congelante e dessa forma o colector ser usado a baixas temperaturas Mesmo n o sendo os colectores mais eficientes os colectores planos possuem uma durabilidade de 25 anos portanto apresentam a melhor rela o de custo benef cio nos sistemas de aquecimento solar Caixa Met lica Entrada de Isolada gua Cobertura gt lt de Vidro Sa da de v m E Agua Tubo de fluido Placa Absorvedora Figura 1 Colector Solar de Placa Plana Fonte Physics World 2 1 Colector Solar em Estudo O objectivo da constru o do colector apresentado no presente trabalho a incorpora o do mesmo em casas pr fabricadas para consumidores de baixa renda conforme apresentado o projecto no ANEXO 2 A inten o de introduzir as placas absorvedoras no perfil de uma telha met lica e cobrir o conjunto com uma cobertura de vidro A efici ncia do colector pode ser b
43. go do meu est gio Os meus agradecimentos ao meu orientador no DEM o professor Rui Figueiredo Agrade o Professora Cristina Louro coordenadora da mobilidade no DEM por me ter auxiliado antes e durante o processo de interc mbio Agrade o minha M e e minha Irm pela motiva o que sempre me deram assim como os conselhos que n o foram em v o sendo este documento a prova disso Por ltimo Agrade o aos meus amigos de sempre Aos amigos da rep blica do Bota Abaixo pela presen a constante e pelo aux lio nas alturas mais oportunas Lu s Pedro Vitorino Gomes i Simula o de um Colector Solar Incorporado numa Telha Resumo Resumo O teste de colectores solares t rmicos efectuado com o objectivo de calcular a sua efici ncia para os valores da radia o solar dispon vel no local A energia solar dispon vel convertida para aquecer gua que circula nos tubos de fluido do colector solar O colector solar testado um prot tipo onde as placas absorvedoras de radia o est o integradas no perfil de uma telha de chapa de liga de zinco com alum nio A telha inclu da no projecto de uma casa de baixo custo Os testes efectuados na bancada de ensaios est o de acordo com a norma Brasileira ABNT CB 55 esta sendo baseada na norma europeia EN12975 A norma define a valida o dos dados como a temperatura de entrada e sa da de fluido do colector por exemplo A norma europeia define dois tipos de ensaios em
44. ia de 15 Lu s Pedro Vitorino Gomes 40 Simula o de um Colector Solar Incorporado numa Telha Tabela 7 Factor de correc o da radia o solar directa 0 0 10 15 20 30 40 50 60 70 90 K0b 1 0 997 0 992 0 986 0 966 0 933 0 878 0 780 0 577 0 Assim o c lculo da efici ncia normalizada pela express o 33 tem o valor Nonorm 0 5605 E os coeficientes do colector obtidos pelo ensaio SST s o Tabela 8 Coeficientes SST do Colector obtidos pela regress o multi linear coef Ensaio SST e do colector Incertz Padr o Incertz Expandida u i U i nO 0 66 0 03 0 05 k1 34 11 4 16 6 92 k2 1 14 0 17 0 28 As curvas de efici ncia de ambos os ensaios s o tra adas na Figura 17 Curvas de efici ncia instant nea 0 7 curva de efici ncia 0 6 instant nea QDT curva de efici ncia 0 5 A instant nea SST 0 4 0 3 0 2 0 1 0 0 005 0 01 0 015 0 02 0 025 0 03 0 035 Tm Ta G Figura 17 Curvas de efici ncia instant nea para ensaios em regime guase din mico e em regime permanente no dia 28 de Junho de 2011 Lu s Pedro Vitorino Gomes 41 Simula o de um Colector Solar Incorporado numa Telha Existe um desfasamento claro entre ambas as curvas devido ao coeficiente linear de perdas t rmicas no ensaio QDT ser aproximadamente 3 vezes menor que o do ensaio SST Dessa forma na curva SST os valores seleccionados ilustram maiores ganhos de radia o mas tamb m maiores perdas t rmicas
45. ica as perdas t rmicas Um gr fico da depend ncia do ngulo de soldadura entre a placa e o tubo de eleva o do fluido mostrando os valores de Fr demonstra que n o necess rio que o ngulo a figura 11 seja muito superior a 45 pois para ngulos superiores a 10 acontece uma estabiliza o do gr fico 0 8 0 7 0 6 0 5 0 4 0 3 FR 0 2 0 1 0 0 10 20 30 40 Angulo de Soldadura Figura 11 Gr fico da depend ncia angular de FR De acordo com o gr fico anterior para um ngulo de 45 o valor de Fr de aproximadamente 0 685 Ent o os valores te ricos s o os seguintes Fk 7ap 0 5891 FRUL 4 3 1 A defini o destes dois par metros indica como o colector absorve e como ele perde energia para o exterior A equa o da pot ncia t rmica em condi es de regime permanente expressa alterando a express o 21 como segue Lu s Pedro Vitorino Gomes 31 Simula o de um Colector Solar Incorporado numa Telha Qu AcFr Gr tap ULCT Ta 39 Calculando a efici ncia obt m se Qu AcGr FgU T Ta 40 Gr Ni Fa Tap A efici ncia n prov m dos ensaios do colector O que ser comparado posteriormente s o os valores dependentes de Fr agora identificados e obtidos atrav s da recta que minimiza as dist ncias dos pontos das dispers es medidas e modeladas Assim Fr T amp ser o valor da intercep o da curva da efici ncia com o eixo ver
46. iclo de vida LCC Life Cycle Cost do sistema de aquecimento de gua se n o existisse a convers o de energia solar comparando esse valor para uma Lu s Pedro Vitorino Gomes Simula o de um Colector Solar Incorporado numa Telha situa o em que utilizado um colector solar no sistema assim calculando o valor ganho O esquema de an lise do investimento feito por um diagrama de cash flow de presta es constantes e a taxa de juro de interesse no investimento Efectuou se o c lculo do per odo de retorno quando o montante investido suprido pelos ganhos do sistema solar pela an lise do VLA conforme a express o seguinte N EE 43 A frac o solar calculada pela simula o transiente do colector define a quantidade de energia el ctrica utilizada esta sujeita a uma tarifa por kWh que para o segmento residencial de 0 32 R kWh O imposto sobre a electricidade de 25 e portanto a tarifa final da electricidade de 0 41 R kWh A tabela seguinte demonstra como a economia de energia devido ao sistema solar varia com a rea de abertura do colector Tabela 12 Varia o da Economia do Sistema com Aquecimento Solar em Fun o da rea de abertura do Colector rea Gasto Com Energia El ctrica Gasto de Energia El ctrica Economia de Energia com m sem Aquecimento Solar R com Aquecimento Solar R Aquecimento Solar R D 585 435 150 4 584 315 269 6 584 241 343 8 585 206 379 10 585
47. is da sociedade quer seja para o aquecimento de gua de banhos ou o aquecimento do ambiente interior de uma habita o a energia solar tem de estar presente Se n o como fonte prim ria em s rie com uma fonte de aquecimento auxiliar pelo menos para que os custos da energia obtida do exterior possam baixar substancialmente No caso de habita es de baixo custo o objectivo reduzir os gastos energ ticos com os chuveiros el ctricos equipamento muito utilizado no Brasil apresentando uma solu o simples mas que tem associado um disp ndio de energia elevado assim como respons vel pelas quebras de fornecimento ao atingirem se m ximos de consumo n o comport veis pelo sistema como discutido no artigo Uma An lise de Sistemas de Aquecimento Solar de gua para uso Dom stico no Brasil desenvolvido pelo meu orientador o professor S rgio Colle no laborat rio de energia solar da UFSC A minha Tese de Mestrado o resultado de um interesse pelas energias renov veis assim como pelas melhores formas de utilizar os recursos presentes no ambiente e de acesso facilitado A Energia Solar T rmica assim como o teste de colectores solares segundo as normas em vigor s o os temas em desenvolvimento conforme foi estudado no artigo Collector test method under quasi dynamic conditions according to the European Standard EN 12975 2 redigido por FISCHER e a determina o das incertezas assim como as instru es de opera o da ban
48. itorino Gomes Simula o de um Colector Solar Incorporado numa Telha Tabela 3 C lculo te rico da transmit ncia num vidro branco Banda Energ tica A mid tA mid 0 5 tA mid 0 1 v A mid 0 02 fi fi 1 0 00 0 1 0 434 0 8 0 9 0 91 0 1 0 2 0 517 0 75 0 875 0 91 0 2 0 3 0 595 0 45 0 85 0 91 0 3 0 4 0 67 0 3 0 83 0 91 0 4 0 5 0 752 0 2 0 81 0 91 0 5 0 6 0 845 0 12 0 79 0 91 0 6 0 7 0 975 0 09 0 75 0 91 0 7 0 8 1 101 0 06 0 73 0 91 0 8 0 9 1 31 0 04 0 7 0 92 0 9 1 0 2 049 0 24 0 79 0 85 0 00 0 1 0 434 0 8 0 9 0 91 Valores M dios t 0 305 0 8025 0 905 Na Tabela 3 efectuado o c lculo da transmit ncia em fun o do comprimento de onda para 10 faixas do espectro da radia o de 3 vidros diferentes em teor de Fe Os Os valores m dios s o os resultados da transmit ncia para cada um dos vidros O vidro utilizado na cobertura dos colectores testados o que tem 0 02 de teor de Fe203 e tamb m o que apresenta um valor mais alto da transmit ncia T 0 905 Segundo Duffie amp Beckman 2006 para colectores de placa plana as reflex es internas da radia o podem ser aproximadas pela seguinte express o tap 1 01ta 38 O resultado Tay 1 01x 0 905 x 0 95 tap 0 86 Luis Pedro Vitorino Gomes 30 Simula o de um Colector Solar Incorporado numa Telha Os resultados dos ensaios ser o dependentes do produto Frx T p para quantificar os ganhos energ ticos e de FrxU que quantif
49. lculados no programa EES Fonte EES O resultado da itera o devolveu um valor U de aproximadamente 5 W mK Valor aceit vel para as perdas t rmicas pelo topo No entanto o colector tamb m perde calor pelos bordos e pelo fundo cujas express es foram enunciadas anteriormente Os valores das perdas de fundo e de bordo s o respectivamente U 1 25 W mK e U 0 065 W mK Lu s Pedro Vitorino Gomes 28 Simula o de um Colector Solar Incorporado numa Telha As perdas totais t m o valor U U Up Ue 6 29 W m K Agora basta calcular analiticamente o produto T p e comparar os valores dos ensaios com os calculados teoricamente O valor da absort ncia da placa de ap 0 95 e foi fornecido pelo fabricante O da transmit ncia apenas dependente do tipo de vidro que usado A determina o de T Duffie amp Beckman 2006 para o caso em que n o h depend ncia angular significativa da transmit ncia e para uma dada distribui o espectral calculada como segue z 37 T gt a Mf j 1 Onde Af a faixa de comprimentos de onda para os quais definido o valor m dio da transmit ncia T je atrav s da soma destes valores definido o valor da transmit ncia da cobertura de vidro A defini o das faixas de frequ ncias os valores m dios de transmit ncia nessas faixas e os valores das transmit ncias m dias valores finais est o expostos na tabela seguinte Tabela 3 Lu s Pedro V
50. modelo do colector Assim as seguintes opera es s o realizadas e Leitura das frequ ncias tens es e resist ncias dos transdutores e Tradu o das leituras para grandezas de medi o e Determina o dos ngulos de posi o do sol e Correc o do erro de c lculo da radia o difusa provocado pelo anel sombreador e C lculo da pot ncia t rmica medida pelo coletor Lu s Pedro Vitorino Gomes 24 Simula o de um Colector Solar Incorporado numa Telha e Determina o da pot ncia t rmica do modelo do coletor e C lculo da efici ncia medida do coletor e C lculo da efici ncia do modelo do coletor e Apresenta o de uma interface onde s o apresentados todos os valores da medi o TM e Guarda os resultados num ficheiro Excel Na p gina seguinte a figura 6 representa o programa num diagrama de blocos Figura 6 Diagrama de Blocos do Programa de registo de dados dos Ensaios de Colectores Fonte Fonte Guilherme Gon alves Teste Bancada Coletores 2008 Labview version 8 5 Os piran metros utilizados para registar a radia o solar s o do fabricante Kipp amp Zonen do tipo CM10 As express es para traduzir os valores das tens es para radia o solar est o inclu das no programa Enquanto a radia o global medida com o piran metro localizado acima do colector apenas sendo necess ria a leitura da voltagem a medida da Radia o Difusa sujei
51. ndo a Norma as tubagens devem ser isoladas termicamente de forma a controlar as perdas t rmicas do fluido para o exterior Lu s Pedro Vitorino Gomes 76
52. no Gomes 42 Simula o de um Colector Solar Incorporado numa Telha n o utilizada Essa energia contribuir para aquecer o colector ao inv s de ser transmitida eficazmente para o fluido O que faz o n vel de perdas t rmicas aumentar e como foi mencionado em par grafos anteriores aumenta a opacidade do vidro impedindo a entrada de uma maior quantidade de radia o solar not ria a diferen a entre os ganhos t rmicos Fr T p para as duas reas introduzidas no c lculo A rea dos elementos absorvedores e a rea de abertura para colectores solares de placas absorvedoras dispostas em paralelo tem valores pr ximos para aproveitar ao m ximo a rea do colector no processo de convers o de energia Portanto uma melhoria plaus vel para a telha seria a de eliminar entenda se eliminar como transformar parte da telha numa superf cie plana o perfil da mesma numa frac o do telhado para aumentar a rea de absor o das placas absorvedoras 5 3 Compara o do colector prot tipo com um e sA colector de efici ncia m dia Um colector solar de placa plana com efici ncia m dia foi sujeito a testes na bancada de ensaios para constituir um elemento de compara o com o colector em estudo A figura seguinte Figura 18 mostra o colector montado na bancada Figura 18 Colector CSP 140V testado na Bancada do LabSolar Lu s Pedro Vitorino Gomes 43 Simula o de um Colector Solar Incorporado numa Telha O
53. ntador na UFSC apresentado no ANEXO 1 Neste sugerido o c lculo das propriedades pticas do colector que s o Lu s Pedro Vitorino Gomes Simula o de um Colector Solar Incorporado numa Telha a transmit ncia do vidro e a capacidade da placa absorver radia o solar designada por absort ncia O colector solar n o estudado completamente sem que seja efectuada uma modela o em regime transiente O Software utilizado o TRNSYS e aplicado um exemplo de um sistema solar de aquecimento de guas dom sticas onde o colector solar tem as caracter sticas do colector prot tipo O objectivo principal dos ensaios do colector a determina o da sua viabilidade econ mica onde analisado o investimento para um per odo de v rios anos utilizando o m todo LCS ou Life Cycle Savings proposto por Duffie amp Beckmann 2006 A parte final do estudo inclui as impress es sobre o colector solar prot tipo e as melhorias poss veis do projecto Pois como a necessidade de gua quente dom stica para a casa de baixo custo n o ir acabar O aquecimento de gua pelo sol mant m se uma solu o v lida para diminuir os custos com a energia el ctrica Lu s Pedro Vitorino Gomes Simula o de um Colector Solar Incorporado numa Telha 2 COLECTORES SOLARES PLANOS Um dos componentes de um colector plano a caixa met lica que protege as placas absorvedoras do exterior Nessa caixa isolada termicamente pelos lad
54. o numa Telha A telha que aquece o vidro devido ao contacto existente entre ambos ganha temperatura e desta forma s o criadas correntes de ar no interior do colector o que desencadeia o mecanismo da convec o natural na zona da telha sombreada pelas placas absorvedoras Essas movimenta es de ar por convec o natural promovem a perda de calor do colector para o exterior dessa forma reduzindo a efici ncia energ tica Os pontos do comportamento t rmico e ptico do colector abordados embora reconhecidos como fonte de perdas de efici ncia do colector n o t m tanta preponder ncia como a faltam de rea de absor o do colector ocupado pelo perfil da telha 5 1 Ensaio em regime Permanente O ensaio em regime permanente s pode ser comparado com os valores do ensaio quase din mico quando se efectua a normaliza o das curvas de efici ncia Essa normaliza o foi apresentada anteriormente Os dados do dia 28 de Junho de 2011 s o agora utilizados para fazer a compara o entre os dois regimes Os resultados do ensaio em regime quase din mico s o os seguintes Tabela 6 Coeficientes do Colector obtidos pela regress o multi linear em regime quase din mico Coeficientes do Colector QDT n0 0 51 b0 0 22 K0d 1 67 k1 12 77 k2 0 22 Ceff 7808 Para tra ar a curva normalizada necess rio saber qual o valor do factor de correc o para a radia o directa da equa o 49 com um ngulo de incid nc
55. olector m Ac rea gen rica do colector m Ag rea total do colector m b Largura da soldadura entre os tubos e as placas de absor o m bo Factor de sensibilidade ao ngulo de incid ncia C Factor de correc o do anel sombreador Cp Condut ncia da soldadura entre o tubo e a placa absorvedora W m K Cerf Coeficiente da in rcia t rmica do sistema ks Cp Calor espec fico kJ kg K d Taxa de Juro do empr stimo D Di metro externo dos tubos de absor o m D Di metro interno dos tubos de absor o m ep Espessura da placa de absor o m e Espessura do tubo de absor o m E Radia o de alto comprimento de onda emitida pelo colector F Efici ncia padr o de uma alheta F Efici ncia do colector r cio entre o ganho de energia actual e o ganho de energia do colector se a placa absorvedora estivesse temperatura local do fluido Fp Factor de remo o de calor do colector solar Fa Frac o difusa da radia o g Acelera o gravitacional m s G Radia o global W m Gp Radia o directa W m Ga Radia o difusa W m Lu s Pedro Vitorino Gomes vi Simula o de um Colector Solar Incorporado numa Telha h Coeficiente de convec o dentro do colector W m K hcp c Coeficiente de convec o entre a cobertura e a placa absorvedora W m K hfi Coeficiente de convec o dent
56. olectores Solares Baseados nas Normas EN12975 e ISO9806 Disserta o de Mestrado Departamento de Engenharia Mec nica UFSC Florian polis KRATZENBERG M G BEYER H G COLLE S AND PETZOLDT D Uncertainty calculation applied to different regression methods in the quasi dynamic collector test EuroSun2004 The 5th ISES Europe Solar Conference Freiburg Germany 2004 PEREZ R INEICHEN P SEALS R MICHALSKY J STEWART R 1990 Modeling Daylight Availability and Irradiance Components from Direct and Global Irradiance Solar Energy 44 5 pp 271 289 SABATELLI V MARANO D BRACCIO G AND SHARMA V K Efficiency test of solar collectors uncertainty in the estimation of regression parameters and sensitivity analyses J Int Energy Conversion Management J C Denton Belton Texas U S A v 42 2002 p 2287 2295 SWERA Solar and Wind Energy Resource Assessment 2001 Dispon vel em lt http swera unep net gt TRNSYS The Transient Energy System Simulation Tool 2006 Version 16 01 003 Solar Energy Laboratory University of Wisconsin Madison Lu s Pedro Vitorino Gomes 57 ANEXO 1 Lu s Pedro Vitorino Gomes 58 LEPTEN LABORAT RIOS DE ENGENHARIA DE PROCESSOS DE CONVERS O E TECNOLOGIA DE ENERGIA UFSC EMC CAMPUS UNIVERSIT RIO TRINDADE FLORIAN POLIS SC 88040 900 BRASIL TEL 048 3234 0408 3234 2161 FAX 048 3331 7615 E MAIL colle emc ufsc br PLANO DE TRABALHO Simula
57. op 0 pela express o da equa o 49 vem Gp Gp Ga AT AT dT 1 26 noa nop tobo zg t g tKa G ag ka Ks ron O c lculo dos coeficientes do modelo e dos factores de correc o da radia o directa e difusa assim como o termo da efici ncia sem perdas t rmicas feito atrav s da aplica o da regress o multi linear Esta metodologia consiste num m todo matricial directo dispon vel em programas com fun es estat sticas como o ExcelTM O termo linear significa que o modelo tem que ser escrito como uma soma das vari veis fornecidas pelos transdutores e que podem tomar valores fortemente n o lineares com os coeficientes e as constantes a determinar pela seguinte express o Omedi Yi Ei ag a X i a5X i a3X3 E tajXji i gt i 1 n 27 O termo ag representa a intersec o com o eixo vertical enquanto os coeficientes s o os termos de a a an As vari veis de regress o s o representadas pelos termos X1 a Xni e gi a diferen a entre o valor medido e o valor do modelo que resume as incertezas do modelo e incertezas de medi o No modelo utilizado pela norma EN12795 n o considerada a intersec o da curva de efici ncia com o eixo Y dessa forma o coeficiente ae deixa de estar presente e a equa o para a MLR multi linear regression fica expressa da seguinte forma Omedi Xi a5X i a3X3 jt a a Xj i i gt i 1 n 28 Sintetizando a express o Lu s Pedro Vit
58. orino Gomes Simula o de um Colector Solar Incorporado numa Telha k Qmeai Qmoai E X ajX Ei 29 j 1 O m todo MLR permite uma selec o completamente livre dos valores da base de dados do ensaio de acordo com as especifica es de ensaio antes mesmo de aplicar a identifica o de par metros MLR ABNT CB 55 As vari veis e coeficientes s o apresentados na Tabela 1 Tabela 1 Express es das vari veis e dos coeficientes utilizados na Regress o Multi Linear Vari vel Coeficiente Gp a n K 1 0 UG G 1 az No Xb X 1 2 0 0 4 G lt a yet a3 No X Koa G AT a k E Am 4 1 eG AT a 5 2 G M Tm 1 ag ks 6 at G O termo resultante da diferen a entre medi o e modelo o erro Este termo utilizado no c lculo das incertezas e define se na express o seguinte 2 k 2 error amp Nmeai Nmoai Nmeai X aj 30 j 1 Assumem se como coeficientes para a curva de rendimento do colector aqueles que minimizam o erro quadr tico Lu s Pedro Vitorino Gomes 18 Simula o de um Colector Solar Incorporado numa Telha 2 k k gt Nmea i 2 05 aj gt min 31 j 1 Tabela 2 Valores dos Par metros do ensaio e desvio permitidos pelos m todos SST e QDT segundo a norma ABNT CB 55 Par metro Regime Regime Permanente Quasi Din mico Valor Desvio Valor Desvio Radia o Global W m gt 700 50 300 lt G lt 1100 50 Angulo de Incid ncia 0
59. orvedores com o objectivo de reduzir as perdas t rmicas como em qualquer colector plano normal Os testes foram todos efectuados no exterior local onde est a bancada no entanto variam as formas de interpreta o dos resultados podendo ser efectuados ensaios em regime permanente Steady State Test e ensaios em regime quasi din mico Ouasi Dynamic Test As normas ISO9806 1 ISO9806 3 e a ASHRAE 93 77 certificam os testes em regime permanente j a EN12975 certifica os testes quasi din micos A norma utilizada foi a ABNT CB 55 que introduz no Brasil as normas de ensaios de colectores solares Os ensaios SST ou de regime permanente s o normalmente efectuados com irradia o artificial o que eleva o seu custo Podendo tamb m ser efectuados no exterior mas com algumas condi es que exigem uma elevada irradia o solar e com ngulos de incid ncia em torno da orienta o normal restringindo assim o n mero de medi es v lidas e n o raras vezes aumentando o n mero de dias de registo de dados A vantagem de um ensaio QDT ou de regime quasi din mico o baixo custo de teste visto a fonte de radia o ser o Sol e apenas ser efectuado no exterior Nestes ensaios representa se com maior semelhan a as condi es reais de funcionamento do sistema solar onde s o medidas mais vari veis tornando o modelo mais completo como por exemplo com a integra o do termo da radia o difusa O plano de trabalho sugerido pelo meu orie
60. os e pela parte inferior acoplado um vidro no topo para permitir a passagem da radia o solar O vidro que deve ter boa transpar ncia para que as placas absorvedoras recebam a maior quantidade poss vel de radia o ajuda a reflectir internamente a radia o criando assim uma acumula o de calor no interior do colector Ao mesmo tempo o vidro evita que as perdas por convec o devido ao vento se tornem elevadas O objectivo do colector solar a absor o com a maior efici ncia poss vel da radia o solar Uma vez absorvido o calor proveniente da radia o transmitido para o fluido que circula na tubula o interna do colector O fluido que sai do colector vai at um reservat rio isolado termicamente onde armazenado para posterior utiliza o dom stica Os casos de baixo rendimento do colector devem se entre outros factores opacidade da cobertura falta de contacto t rmico entre a superf cie de absor o e as tubula es e um isolamento t rmico insuficiente entre o elemento absorvedor e o ambiente O absorvedor necessita apresentar algumas condi es para que o colector seja considerado de boa efici ncia t rmica esses factores s o e O material usado nos tubos e nas placas absorvedoras assim como o material de solda devem ser de alta condutibilidade t rmica e A resist ncia de contato entre a placa absorvedora e o tubo deve ser minimizada e O elemento absorvedor deve ter comportamento sel
61. reador Fonte Guilherme Gon alves Teste Bancada Coletores 2008 Labview version 8 5 Lu s Pedro Vitorino Gomes 26 Simula o de um Colector Solar Incorporado numa Telha O c lculo do caudal volum trico efectua se por um transdutor de indu o magn tica Uma termo resist ncia registando a temperatura do fluido colocada entrada do medidor de caudal o que possibilita o c lculo da massa vol mica para assim calcular o caudal m ssico atrav s de uma equa o das propriedades da gua presente na norma DIN V4757 4 1995 11 A figura seguinte figura 8 mostra como realizado esse c lculo no programa Densidade da gua a 1 bar em Kg m 3 pao eas tho A B T C T 2 D T 3 E 14 T a temperatura ambiente A at E s o constantes emperatura Ambiente Y Fluxo m ssico float32 Y EX float32 rho rho 1 11E 07 T T T T 3974E 05 T T T E 7 654E 03 T T 6 187E 02 T 999 85 Convers o de L h para kg s az o m ssica kg s Y X 1000 rho 3600 Figura 8 Bloco de c lculo que converte a vaz o volum trica para vaz o m ssica Fonte Guilherme Gon alves Teste Bancada Coletores 2008 Labview version 8 5 A Pot ncia medida tamb m dependente da temperatura do fluido influenciada pelo valor do calor espec fico como mostra a figura seguinte figura 9 emperatura de sa da E emperatura de entrada E To Ti Fluxo m ssico kg s san
62. reservat rio de gua e perfil de consumo de gua quente predefinido O esquema do sistema SDHW representado pela Figura 21 Typel09 User T 2 2 2 2 22 2244 2 4 L 1 Y Tank EU x PY Q9 amp H H Load Profile i PRE a mST Sos Beine eii DA AUR RURAL UST RON RU 3 per Ta i tk J ww enn n nee p 4 ia l Daily Integration E Daily Results i cated a a aa MT Effi Y A ONE i ciencies A 2 Ille L A A A A A 4 A A a Simulation Integration Totals Figura 21 Sistema SDHW inclu do nos exemplos de sistemas t rmicos Fonte TRNSYS exemplo SDHW Lu s Pedro Vitorino Gomes 47 Simula o de um Colector Solar Incorporado numa Telha O sistema representa uma instala o usual de aquecimento solar da gua para banhos onde o perfil de consumo pr definido pelo sistema com um pico entre as 18h e as 19h de cada dia Os dados do TMY s o retirados da base de dados SWERA Solar and Wind Energy Resource Assessment que como foi mencionado anteriormente indica os valores t picos da irradia o solar e temperatura para um dado local no per odo de um ano Neste caso o teste foi feito para a cidade de Florian polis O reservat rio de gua quente estratificado e mantido entre os 45 C e os 15 C tendo uma fonte de aquecimento auxiliar el ctric
63. ria es menores a 1 al m disso o caudal n o deve variar mais de 10 do valor ajustado de um periodo de ensaio para outro ABNT CB 55 Mar o 2009 3 2 Ensaio em regime quasi din mico Neste regime de ensaio consideram se as duas componentes da radia o solar Directa Gy e Difusa Ga Desta forma leva se em conta um maior n mero de situa es al m da valida o de um maior n mero de dados Este m todo permite testar o colector sob condi es pr ximas s condi es reais de opera o onde a express o completa do modelo inclui agora um termo para a radia o difusa G4 Esse termo tem acoplado o factor de correc o do ngulo de incid ncia Keg para radia o difusa assim como a efici ncia do colector sem perdas t rmicas no A influ ncia do vento nas perdas energ ticas tamb m considerada neste m todo Dois termos s o introduzidos O primeiro expressa a influ ncia do vento sobre a efici ncia do colector sem perdas ksu o segundo termo define o valor das perdas de calor devido ao vento k3u Tm Ta A influ ncia das trocas por convec o do colector com o vento s o mais pronunciadas nos colectores sem cobertura ou colectores para aquecimento de piscinas Lu s Pedro Vitorino Gomes Simula o de um Colector Solar Incorporado numa Telha No colector sem cobertura aparecem tamb m trocas por onda longa que n o devem ser ignoradas introduzidas pelo termo k4 EL oT e tratadas
64. rino Gomes 22 Simula o de um Colector Solar Incorporado numa Telha O acesso ao sistema Hidr ulico da bancada do LABSOLAR n o me foi dado para an lise mas o esquema proposto pela norma ASHRAE 93 77 muito semelhante e representado na Figura 5 como segue AMBIENT TEMPERATURE SENSOR PYRANOMETER wn SO in MIXING DEVICE AIR VENT VALVE TEMPERATURE SENSORS TEMPERATURE E SENSORS EXCH EXCHANGER PRESSURE AUGE rir DIFFERENTIAL PRESSURE E slots MEASURING DEVICE PRESSURE FLOW CALIBRATION Pn RELIEF p FACILITY SIGHT VALVE FLOW METER AIR BLEED VALVE STORAGE TANK ELECTRIC HEATER FLOW FILTER MAKE UP FLUID Figura 5 Configura o da Bancada de Testes para um colector solar quando o fluido de transfer ncia de calor um l quido Fonte Norma ASHRAE 93 1986 As seguintes vari veis devem ser medidas na bancada de ensaios representada pela figura 5 e Radia o Solar Global na abertura do coletor e Radia o Solar Difusa na abertura do coletor ngulo de incid ncia da radia o Solar direta ou determinado mediante c lculo e Velocidade do vento e Temperatura do ar ambiente e Temperatura do fluido na entrada do coletor e Temperatura do fluido na sa da do coletor Lu s Pedro Vitorino Gomes 23 Simula o de um Colector Solar Incorporado numa Telha e Vaz o do fluido de transfer ncia de calor Os componentes do sistema hidr
65. ro dos tubos de absor o W m K hr c a Coeficiente de radia o entre a cobertura e o ambiente W m2 K hrp c Coeficiente de radia o entre a placa absorvedora e a cobertura W m K hy Coeficiente de convec o exterior originado pelo vento W m K i Per odos de tempo da an lise econ mica N k N mero de vari veis da regress o multi linear k Coeficiente de perdas t rmicas linear k Coeficiente de perdas t rmicas quadr tico k3 Coeficiente de perdas por ac o do vento dependente da sua velocidade ka Coeficiente de perdas por radia o de onda longa ks Coeficiente de in rcia t rmica do sistema do colector kg Coeficiente da depend ncia da efici ncia do colector pelo vento Kop 0 Factor de correc o do ngulo de incid ncia da radia o directa Kgq Factor de correc o do ngulo da radia o difusa k Coeficiente de condu o de calor W m K kp Coeficiente de condu o de calor do estanho ksn 66 6 W m K Kiso Coeficiente de condu o de calor do isolamento em EPS W m K kp Coeficiente de condu o de calor da placa absorvedora W m K L Comprimento Caracter stico m Lisoi Espessura do isolamento m m Caudal m ssico kg s n N mero de dados utilizados na regress o multi linear i 1 n N N mero de Nusselt q Pot ncia t rmica por unidade de rea W m q u Pot ncia t rmica til por unidad
66. s coeficientes do colector foram calculados pelo mesmo procedimento aplicado ao colector integrado na telha Os valores dos coeficientes figuram na tabela seguinte Tabela 9 Coeficientes do Colector de efici ncia m dia Coeficientes do Colector n0 0 72 b0 0 46 K0d 1 16 k1 4 67 k2 2 05 Ceff 15132 Os valores da tabela anterior revelam gue o colector testado tem uma boa efici ncia e n o perde muita energia para o exterior O factor de correc o da radia o difusa toma valores mais reduzidos e a sensibilidade ao ngulo de incid ncia no factor de correc o da radia o directa superior do prot tipo Os valores das efici ncias medida e modelada para ambos os colectores est o presentes no gr fico da Figura 19 0 9 0 8 Efici ncia dos coletores s mod 0 7 x med y 15 667x 0 6449 0 6 0 5 0 4 0 3 0 2 0 1 0 0 0 01 0 02 0 03 0 04 0 05 Tm Ta G Figura 19 Efici ncias experimentais dos colectores de placa plana Azul Vermelho colector de efici ncia m dia Verde Roxo colector integrado na telha Lu s Pedro Vitorino Gomes 44 Simula o de um Colector Solar Incorporado numa Telha Podemos verificar que existem duas acumula es de pontos uma para cada colector ensaiado S o tra adas linhas de tend ncia nos pontos de cada ensaio e as equa es destas exprimem as caracter sticas dos colectores Os pontos mais pr ximos do eixo vertical correspondem ao colec
67. saio em regime permanente portanto a efici ncia a m xima que se pode conseguir No entanto o colector CSP 140V tem maior efici ncia pois para al m de aproveitar o m ximo de espa o da sua abertura aumentando a rea de absor o tem um isolamento t rmico melhor A curvatura do colector CSP 140V apresenta um declive menor enquanto o colector prot tipo tendo menos valores validados e um declive mais acentuado tem uma curvatura menor indicando um n vel de perdas t rmicas bastante alto A curvatura indica um coeficiente de perdas quadr tico de valor superior para o colector CSP 140V Luis Pedro Vitorino Gomes 46 Simula o de um Colector Solar Incorporado numa Telha 5 4 Modela o Transiente do Colector Solar O software escolhido para modelar o comportamento do colector foi o TRNSYS Transient System Simulation Program O TRNSYS utiliza se para simula o de sistemas energ ticos em regime transiente onde podem ser calculados os valores das temperaturas do reservat rio e da pot ncia solar um bom Software para a resolu o de sistemas lineares com comportamento transiente Funciona com m dulos pr existentes inclu dos no programa que s precisam ser introduzidos nos sistemas e ligados para funcionar O programa cont m v rios exemplos de sistemas t rmicos dos quais foi utilizado o SDHW Solar Domestic Hot Water para simular o comportamento do colector solar Integrado num sistema com
68. ta a correc es pois utiliza um anel sombreador Lu s Pedro Vitorino Gomes 25 Simula o de um Colector Solar Incorporado numa Telha como mostra a figura 13 A correc o segundo o manual do fabricante calculada pela seguinte equa o 1 34 Sendo S o factor de visibilidade calculado por S 2 x Vcos 6 w sen d sen 6 sen w cos cos 8 n 35 Onde o ngulo do nascer do sol representado por W tan tan d 36 V o ngulo de obstru o do anel de sombreamento a partir do centro do domo do piran metro No manual o valor de V tem o valor V 10 6 com um erro associado de 0 5 A figura 7 mostra o c lculo da correc o da radia o difusa devido ao anel sombreador Correction factor for diffuse radiation U0 A n 6 B n 5 C n 4 D n 3 E n 2 F n G float32 U0 UO 2 81980287290458E 14 n n n n n n 2 9566047571192E 11 n n n n n 8 1546940236184E 09 n n n n 2 84282151227425E 07 n n n 2 29552709497037E 14 n n 8 51612278764614E 14 n 50 047886258615 Conversion U0 to RAD Radia o difusa s corre o float32 S S 2 15 52 P 180 cos delta U0 sin 27 5 P 180 sin delta sin U0 cos 27 5 P 180 cos delta P Radia o Difusa corrigida post float32 C C 1 1 S Figura 7 Bloco de c lculo que efectua a correc o do valor da radia o difusa devido a utiliza o do anel somb
69. tamento de Engenharia Mec nica Universidade Federal de Santa Catarina Setembro de 2010 DUFFIE J A BECKMAN W A Solar Engineering of Thermal Processes 3 ed New Jersey John Wiley and Sons 2006 DIN V4757 4 1995 11 Solar Heating Systems Solar Collectors Determination of Efficiency Heat Capacity And Pressure Drop EES Engineering Equation Solver 2009 F Chart software University of Wisconsin Madison USA FISCHER S HEIDEMANN W M LLER STEINHAGEN S PERERS B BERGOUIST P HELLSTR M B Collector test method under guasi dynamic conditions according to the European Standard EN 12975 2 J Int Solar Energy Soc v 76 2004 GON ALVES G Bancada Teste Coletores 2008 Labview Version 8 5 INCROPERA F P AND D P DE WITT Fundamentals of Heat and Mass Transfer John Wiley New York 1992 IQBAL M An Introduction to Solar Radiation Academic Press Toronto 1983 KRATZENBERG M G BEYER H COLLE S ALBERTAZZI A G G THS S FERNANDES D 1 OIKAWA P M V MACHADO R H PETZOLDT D Analysis of the collector test procedures for steady state and quasi dynamic test conditions in view of the collector coefficients uncertainties and model stability Solar World Congress Orlando Florida ISES International Solar Energy Society 2005 13 p Luis Pedro Vitorino Gomes 56 Simula o de um Colector Solar Incorporado numa Telha KRATZENBERG M G 2005 M todo para Avalia o de Incertezas de Ensaios de C
70. tical e FRUL o valor do declive da recta que minimiza a dist ncia dos pontos da dispers o Lu s Pedro Vitorino Gomes 32 Simula o de um Colector Solar Incorporado numa Telha 5 RESULTADOS E DISCUSS O Os ensaios dos colectores solares efectuados na bancada do LabSolar foram feitos com o objectivo de cumprir a norma Brasileira ABNT CB 55 que se baseia nas normas EN12975 e ISO 9806 Todos os ensaios foram efectuados em regime QDT Mesmo com a varia o das temperaturas do fluido de entrada no colector pelo operador do ensaio nem sempre f cil prever o que acontecer durante o dia em termos meteorol gicos e por esse facto grande parte das medi es n o s o validadas Foram testados dois colectores solares na bancada e medidas as vari veis pelos transdutores Nos ensaios onde foram validados valores apenas se conseguiram 3 amostras em ensaio QDT duas para o colector prot tipo integrado na telha e uma de um colector de efici ncia m dia pertencente ao LABSOLAR Das duas amostras resultantes do QDT para o colector prot tipo uma validou os seus valores perante os limites do SST do colector integrado na telha Dessa forma poss vel fazer uma compara o entre ambos os regimes de teste dos colectores O gr fico seguinte figura 12 mostra as frac es da radia o Solar e a radia o Global para um ensaio em regime quasi din mico 1000 900 Radia o Global 800 m Radia o 700 Direct
71. tor de efici ncia m dia e os situados mais ao centro correspondem ao colector em estudo o de placas absorvedoras integradas no perfil da telha O colector de efici ncia m dia tem uma efici ncia sem perdas melhor embora com um valor das perdas t rmicas superior O colector integrado na telha obt m resultados piores da absor o de radia o mas o n vel de perdas t rmicas inferior As equa es podem ser retiradas do gr fico e integradas em programas de simula o em regime transiente A melhor compara o dos valores de efici ncia para os dois colectores feita pelas curvas de efici ncia normalizada de cada colector A Figura 20 demonstra a curva de efici ncia normalizada do colector testado em regime permanente e a curva de efici ncia normalizada do colector de efici ncia m dia 0 8 e sA Efici ncia Instant nea Normalizada 0 7 o CSP 140V U1 Prot tipo Efici ncia n o ES UW o M 0 1 0 0 005 0 01 0 015 0 02 AT G Figura 20 Compara o das efici ncias normalizadas para os colectores CSP 140V e Prot tipo Lu s Pedro Vitorino Gomes 45 Simula o de um Colector Solar Incorporado numa Telha Na figura das efici ncias normalizadas f cil distinguir os colectores testados pois os valores de efici ncia do colector de efici ncia m dia modelo CSP 140V s o superiores aos do prot tipo Os valores de efici ncia do Prot tipo foram obtidos num en
72. tros de valida o dos ensaios A radia o difusa pouco influenciada pela varia o do ngulo de incid ncia e os valores da radia o directa a azul est o todos inclu dos no primeiro quadrante Existe uma concentra o de pontos nos valores mais baixos do ngulo de incid ncia pois para esses pontos que a radia o solar mais elevada e como o ngulo Lu s Pedro Vitorino Gomes 35 Simula o de um Colector Solar Incorporado numa Telha de incid ncia est perto da normal 0 lt 15 h uma taxa de valida o de valores elevada A figura 15 situada abaixo confirmada a depend ncia da radia o difusa com a radia o global no entanto a radia o difusa situa se entre os valores 85 115 W m enquanto a radia o global aumenta o seu valor devido ao aumento da radia o directa A dispers o assemelha se a uma recta descrevendo a evolu o da radia o difusa quando a radia o directa aumenta Por isso podemos dizer que a radia o difusa aumenta o seu valor linearmente com a radia o directa at o valor de radia o solar mais elevado Depois desse valor a radia o difusa reduz se fixando os pontos de depois do meio dia solar abaixo da curva inicialmente tra ada 115 00 110 00 105 00 100 00 95 00 90 00 Radia o Difusa Gd W m 85 00 80 00 0 00 200 00 400 00 600 00 800 00 1000 00 Radia o Global G W m Figura 15 Gr fico da depend ncia entre R
73. ua o seguinte considera as trocas por convec o no interior da tubagem assim como a condut ncia da liga o soldada entre a placa e o tubo Lu s Pedro Vitorino Gomes Simula o de um Colector Solar Incorporado numa Telha Tp T 11 Qu T 47 ucc d hein D Cp Com a condut ncia da soldadura definida por ky b 12 2 4 Factor de efici ncia do colector Os elementos absorvedores de radia o num colector podem ser divididos entre tubos e placas O comportamento t rmico de uma placa pode ser estudado como uma alheta Duffie Beckman 2006 O perfil de temperaturas pode ser considerado igual ao longo do seu comprimento grin W D sen a F S U Tp Tod 13 Onde W a largura da placa ou seja comprimento da alheta D representa o di metro do tubo absorvedor de calor O termo do di metro tem acoplado uma fun o trigonom trica que considera a redu o do comprimento de placa absorvedora O objectivo aumentar a rea de contacto da placa com o tubo para reduzir o n vel de perdas t rmicas A figura 3 mostra como calculada a redu o do comprimento da alheta pela varia o do ngulo a Lu s Pedro Vitorino Gomes 10 Simula o de um Colector Solar Incorporado numa Telha w 2 W D sin a 2 Figura 3 Variac o do comprimento da placa absorvedora com o ngulo a Fonte Exerc cios de Energia Solar Colle O termo F expressa a efici ncia padr o da
74. uecedor de passagem e como a temperatura ambiente esta entre 0 p 20 27 C Podem identificar se as duas partes do dia onde a parte inferior corresponde ao per odo da tarde onde os valores da temperatura ambiente s o mais elevados Os valores acima da concentra o de pontos correspondem manh onde os n veis de Lu s Pedro Vitorino Gomes Simula o de um Colector Solar Incorporado numa Telha radia o s o os mesmos mas o ambiente est mais frio permitindo um valor AT superior O sistema hidr ulico tem algumas perdas de temperatura para o exterior porque o isolamento n o ideal S o registados valores da temperatura do fluido entrada do colector entre 36 38 C e contando com a subida da temperatura ambiente at valores por volta dos 28 C o valor dos coeficientes de perdas t rmicas do modelo do colector reduzido quando se reduz o valor de AT 900 00 800 00 700 00 600 00 500 00 400 00 Gb theta 300 00 200 00 f Gd theta 100 00 URIEDIFEPEUEEEFEEEFELEETETEHE FEE A 0 00 0 10 20 30 40 50 60 ngulo de Incid ncia 0 Radia o Solar Direta e Difusa W m 2 Figura 14 Radia o Solar directa e difusa para v rios ngulos de incid ncia A figura 14 demonstra a depend ncia entre o ngulo de incid ncia e a radia o directa Podemos observar que o ngulo 0 nunca chega a ser zero 0 e os valores do ngulo nunca excedem os sessenta graus 60 conforme os par me
75. ulico da bancada que visam a medi o das vari veis anteriores s o apresentados no ANEXO 3 A bancada de ensaios tem ainda um permutador de calor sendo utilizado um chiller de forma a garantir que a temperatura de entrada de fluido no colector se mant m num valor com varia es controladas O sistema hidr ulico funciona em circula o for ada pelo que utiliza uma bomba que faz o fluido de servi o circular com um caudal que controlado manualmente pelas v lvulas de passagem Um reservat rio de gua isolado termicamente utilizado para conferir in rcia ao sistema de forma a simular a acumula o de calor no sistema Os aquecedores de passagem que estabelecem os patamares de temperatura para os quais deve ser testado o colector figuram no esquema como Electric Heater O isolamento t rmico da tubagem imposto pela norma est tamb m representado no esquema e faz com que o esquema seja v lido para representar a bancada de testes do LABSOLAR 4 2 Programa de aquisi o de dados Os transdutores que medem as vari veis dos ensaios de colectores est o conectados a uma unidade de aquisi o de dados Um multiplexador de modelo HP 34972 A do fabricante HP Agilent O labview o software utilizado no processo de aquisi o de dados os quais s o interpretados por um programa desenvolvido pelo aluno bolseiro do LabSolar Guilherme Gon alves Esse programa efectua os c lculos necess rios para a avalia o do
76. v rias temperaturas totalizando 4 temperaturas de entrada do fluido espa adas sobre o intervalo de temperatura de opera o do colector T Ta T Ta 20 T Ta 40 T Ta 60 Se o fluido de transfer ncia de calor a gua a temperatura m xima deve estar pelo menos por volta de 80 C ABNT CB 55 O ensaio SST necessitar de mais dias pois o valor necess rio da radia o solar para validar os dados superior ao do QDT e as condi es do c u ser o mais pr ximas das de c u limpo com o hor rio onde s o validados os dados pr ximo do meio dia solar As medi es durante um dia completo permitem obter informa es sobre o factor de correc o do ngulo de incid ncia para que a partir do ensaio QDT se consiga identificar a depend ncia da radia o difusa A capacit ncia t rmica do colector solar determina o seu desempenho transiente mas para conseguir essa medi o necessita se de uma grande varia o da temperatura m dia num per odo de tempo reduzido Como a temperatura entrada do colector fixa para testes de acordo com a norma ABNT CB 55 a irradia o solar ter de variar bastante de forma a alterar o valor de dT dt e para conseguir essa varia o um c u parcialmente nublado desej vel Lu s Pedro Vitorino Gomes 20 Simula o de um Colector Solar Incorporado numa Telha 3 4 Curvas de Efici ncia Normalizada A compara o entre ambos os m todos de ensaios de colectores efectuada mediante

Simulação de um Colector Solar Incorporado numa

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